(57)【要約】  内燃機関（２０）用のガスケット（３２）を作成するための方法は、電気化学的堆積のプロセスを通じて金属ガスケット本体（４０）上にほぼ環状のストッパ（３８）を形成するステップを含む。電解槽には、カソードを形成するガスケット本体（４０）が備え付けられる。選択された電極（７０）に送出される電気エネルギを経時的に選択的に変化させることにより、輪郭成形された圧縮面（４２）を有するストッパ（３８）が形成される。金属イオンが豊富な電解質（４８）を、電極間の間隙を通じて高速度でポンプ送出する。ＰＣコントローラ（８２）は、或る時点において或る持続時間にわたり、選択された電極（７０）をＯＮにスイッチングし、これにより、電解質（４８）内の金属イオンは、ガスケット本体（４０）上に還元または堆積し、柱または層の形状で、圧縮面（４２）についての目標の表面プロファイル（１０６）に近似する３次元構造に構築される。３次元構造を構築するためのこの方法は、シリンダヘッドガスケット（３２）以外の加工物にも適用され得る。
2009531551.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
静的かつ汎用でマルチセグメント化された電極アレイを用いて、電気化学的堆積の作用を通じて工作物上に３次元構造を構築するための方法であって、前記方法は、
各々が活性端を有する複数のアノード電極を提供するステップと、
前記複数の電極を規則的なアレイ状に支持するステップと、
各電極を互いに電気的に絶縁するステップと、
各電極に電気回路を設けて個々のアノードを形成するステップと、
上に構築されるべき作業面を有するカソード工作物を提供するステップと、
その作業面が前記電極の前記活性端に対して対向しかつ間隔のあいた関係にある状態で、加工物を支持するステップと、
前記作業面と前記活性端との間の空間を通じて金属イオンが豊富な電解質を流通させるステップと、
前記電解質内の金属イオンを前記作業面上に３次元構造として還元または堆積させるために、特定の電極に送出される電気エネルギを選択的に変化させるステップと、
電気化学的堆積工程を通じて、互いに固定された関係、かつ、前記工作物に対して固定された関係で、すべての前記電極の前記活性端を支持するステップとを含む、方法。
【請求項２】
電解質を流通させる前記ステップは、毎秒０．５から４メートルの電解質流量を維持するステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
電解質を流通させる前記ステップは、前記電解質を再循環させるステップを含み、さらに、前記作業面上に堆積された金属イオンの損失分を補償するために、前記電解質に金属イオンを補給するステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記補給するステップは、前記作業面と前記活性端との間の前記空間の電解質上流に金属イオンを追加するステップを含む、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記補給するステップは、前記アノードから金属イオンを溶解するステップを含む、請求項３に記載の方法。
【請求項６】
前記アノードから金属イオンを溶解する前記ステップは、多孔性の膜の後ろにアノードペレットを格納するステップを含む、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記アノードから金属イオンを溶解する前記ステップは、前記作業面に向けて前記アノードを独自に移動させるステップを含む、請求項５に記載の方法。
【請求項８】
前記補給するステップは、前記作業面と前記活性端との間の前記空間の電解質上流に金属イオンを追加するステップを含む、請求項３に記載の方法。
【請求項９】
前記再循環させるステップは、前記電解質から不純物をフィルタ除去するステップを含む、請求項３に記載の方法。
【請求項１０】
前記電気エネルギを選択的に変化させる前記ステップは、局所的なエネルギ場の振幅を変化させるステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記電気エネルギを選択的に変化させる前記ステップは、局所的なエネルギ場の持続時間を変化させるステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
電気絶縁体で前記作業面の一部をマスキングして、前記作業面の選択領域上における前
記金属イオンの堆積を防止するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
マルチセグメント化された電極アレイを用いて、電気化学的堆積の作用を通じて加工物上に３次元構造を構築するための方法であって、前記方法は、
各々が活性端を有する複数のアノード電極を提供するステップと、
前記複数の電極を規則的なアレイ状に支持するステップと、
各電極を互いに電気的に絶縁するステップと、
各電極に独立した電気回路を設けるステップと、
上に構築されるべき作業面を有するカソード加工物を提供するステップと、
その作業面が前記電極の前記活性端に対して対向しかつ間隔のあいた関係にある状態で、前記加工物を支持するステップと、
前記作業面と前記活性端との間の空間を通じて金属イオンが豊富な電解質を流通させるステップと、
前記電解質内の金属イオンを前記作業面上に３次元構造として還元または堆積させるために、特定の電極に送出される電気エネルギを選択的に変化させるステップと、
電気絶縁体で前記作業面の一部をマスキングして、前記作業面の選択領域上における前記金属イオンの堆積を防止するステップとを含む、方法。
【請求項１４】
電解質を流通させる前記ステップは、毎秒０．５から４メートルの電解質流量を維持するステップを含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
電解質を流通させる前記ステップは、前記電解質を再循環させるステップを含み、さらに、前記作業面上に還元して堆積した金属イオンの損失分を補償するために、前記電解質に金属イオンを補給するステップを含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１６】
前記補給するステップは、前記作業面と前記活性端との間の前記空間の電解質上流に金属イオンを追加するステップを含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記補給するステップは、前記アノードから金属イオンを溶解するステップを含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１８】
前記アノードから金属イオンを溶解する前記ステップは、多孔性の膜の後ろにアノードペレットを格納するステップを含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記アノードから金属イオンを溶解する前記ステップは、前記作業面に向けて前記アノードを独自に移動させるステップを含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項２０】
前記補給するステップは、前記作業面と前記活性端との間の前記空間の電解質上流に金属イオンを追加するステップを含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項２１】
前記再循環させるステップは、前記電解質から不純物をフィルタ除去するステップを含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項２２】
前記電気エネルギを選択的に変化させる前記ステップは、局所的なエネルギ場の振幅を変化させるステップを含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項２３】
前記電気エネルギを選択的に変化させる前記ステップは、局所的なエネルギ場の持続時間を変化させるステップを含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項２４】
電気化学的堆積工程を通じて互いに固定された関係、かつ、前記工作物に対して固定さ
れた関係で、すべての前記電極の前記活性端を支持するステップをさらに含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項２５】
内燃機関内のシリンダヘッドとブロックとの間に締付け保持を得るための種類のガスケットを作成するための方法であって、前記方法は、
作業面を有するシート状の金属ガスケット本体を提供するステップと、
前記ガスケット本体に少なくとも１つのシリンダボア開口部を形成するステップと、
複数の電極を規則的なアレイ状に支持するステップと、
各電極を互いに電気的に絶縁するステップと、
各電極に電気回路を設けて個々のアノードを形成するステップと、
その作業面が前記電極に対して対向しかつ間隔のあいた関係にある状態で、前記ガスケット本体を支持するステップと、
前記ガスケット本体に電気回路を設けてカソードを形成するステップと、
前記作業面と前記電極との間の空間を通じて金属イオンが豊富な電解質を流通させるステップと、
複数の前記電極と前記ガスケット本体との間に電位を生じて前記電解質内の金属イオンを前記作業面上に還元または堆積させることにより、前記シリンダボアの周囲にほぼ環状のストッパを形成するステップと、
前記電極に送出される電気エネルギを経時的に選択的に変化させることにより、前記ストッパ上に輪郭成形された圧縮面を形成するステップとを含む、方法。
【請求項２６】
電気絶縁体で前記作業面の一部をマスキングして、前記作業面の選択領域上における前記金属イオンの堆積を防止するステップをさらに含む、請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
電解質を流通させる前記ステップは、毎秒０．５から４メートルの電解質流量を維持するステップを含む、請求項２５に記載の方法。
【請求項２８】
ほぼ環状のストッパを形成する前記ステップを通じて、互いに固定された関係、かつ、前記ガスケット本体に対して固定された関係で、前記電極を支持するステップをさらに含む、請求項２５に記載の方法。
【請求項２９】
前記電気エネルギを選択的に変化させる前記ステップは、局所的なエネルギ場の振幅を変化させるステップを含む、請求項２５に記載の方法。
【請求項３０】
前記電気エネルギを選択的に変化させる前記ステップは、局所的なエネルギ場の持続時間を変化させるステップを含む、請求項２５に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
発明の背景
発明の分野
この発明は一般に、電気化学堆積（ＥＣＤ）のための方法および装置に関する。この発明は、より具体的には、静的でかつ汎用形状のアノードアレイから限りなく多様な形状学的輪郭を作成する、アレイ状マルチ電極ＥＣＤ装置および方法、より一層具体的には、ＥＣＤプロセスを用いてＭＬＳガスケット上に輪郭成形されたストッパを製作することに関する。
【背景技術】
【０００２】
関連技術
製造される製品によっては、極めて薄く、高精度で、輪郭成形された構造を金属加工物上に必要とするものがある。一例として、内燃機関の加圧室を封止するために使用されるもの等の金属ガスケットは一般に、形状学的に輪郭成形されたストッパを含み、過剰な圧縮を予めかけることなく、均一な応力分布、平坦な接触部、および気密封止を提供する。また、均一な応力分布により故障率が下がり、ガスケットの寿命が延びる。形状学的に輪郭成形されたストッパの製作は、どのような先行技術のプロセスによっても、極めて難しいものである。最も一般的には、鋳造工程を用いて、極めて薄いストッパの特徴上にプロファイルを生成し、これは通常、６０から１５０マイクロメートルの範囲である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、鋳造の結果には問題があることが多い。なぜなら、この極めて薄い層のプロファイルに過剰な変形および応力が加わるためである。
【０００４】
このガスケットストッパの例は、精度よく輪郭成形された特徴を金属加工物上に生成することが求められる無数の産業用途の１つに過ぎない。したがって、加工物上に３次元の形状学的特徴を形成する、改良された製造プロセスが必要とされる。形成工具と加工物との間にどのような種類の回転運動または相対運動をも必要としない、このようなプロセスの実施が望ましい。また、プログラマブルな制御を通じて限りなく多様な輪郭成形プロファイルを生成するように適合され、かつ、広く多様性を有する、このようなプロセスを開発することが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
発明の概要
この発明は、静的かつ汎用でマルチセグメント化された電極アレイを用いて、電気化学堆積の作用を通じて加工物上に３次元構造を構築するための方法を企図する。この方法は、各々が活性端を有する複数のアノード電極を提供するステップと、当該複数の電極を規則的なアレイ状に支持するステップと、各電極を互いに電気的に絶縁するステップと、各電極に電気回路を設けて個々のアノードを形成するステップと、上に構築されるべき作業面を有するカソード工作物を提供するステップと、その作業面が電極の活性端に対して対向しかつ間隔のあいた関係にある状態で、加工物を支持するステップと、作業面と活性端との間の空間を通じて金属イオンが豊富な電解質を流通させるステップと、電解質内の金属イオンを作業面上に３次元構造として還元または堆積させるために、特定の電極に送出される電気エネルギを選択的に変化させるステップと、電気化学堆積工程を通じて、互いに固定された関係、かつ、工作物に対して固定された関係で、すべての電極の活性端を支
持するステップとを含む。
【０００６】
この発明の別の局面によると、マルチセグメント化された電極アレイを用いて、電気化学堆積の作用を通じて加工物上に３次元構造を構築するための方法は、各々が活性端を有する複数のアノード電極を提供するステップと、当該複数の電極を規則的なアレイ状に支持するステップと、各電極を互いに電気的に絶縁するステップと、各電極に個々の電気回路を設けるステップと、上に構築されるべき作業面を有するカソード工作物を提供するステップと、その作業面が電極の活性端に対して対向しかつ間隔のあいた関係にある状態で、工作物を支持するステップと、作業面と活性端との間の空間を通じて金属イオンが豊富な電解質を流通させるステップと、電解質内の金属イオンを作業面上に３次元構造として還元または堆積させるために、特定の電極に送出される電気エネルギを選択的に変化させるステップと、電気絶縁体で作業面の一部をマスキングして、作業面の選択領域上における金属イオンの堆積を防止するステップとを含む。
【０００７】
この発明は、活性マトリクス電気化学堆積のプロセスを用いて、工作物上に形状学的に輪郭成形された構造を形成するための、極めて正確であってノンインパクト方式の技術を提供する。このプロセスは、エネルギ効率がよく、節約志向であり、極めて正確な構造をもたらす。このプロセスは、コンピュータまたは他のデジタル処理制御装置を使用することにより、プログラムされた制御に容易に適合させることができる。
【０００８】
この発明のさらに別の局面によると、内燃機関内のシリンダヘッドとブロックとの間の締付け保持を得るための種類のガスケットを作成するための方法が提供される。この方法は、作業面を有するシート状の金属ガスケット本体を提供するステップと、当該ガスケット本体に少なくとも１つのシリンダボア開口部を形成するステップと、複数の電極を規則的なアレイ状に支持するステップと、各電極を互いに電気的に絶縁するステップと、各電極に電気回路を設けて個々のアノードを形成するステップと、その作業面が電極に対して対向しかつ間隔のあいた関係にある状態で、ガスケット本体を支持するステップと、ガスケット本体に電気回路を設けてカソードを形成するステップと、作業面と電極との間の空間を通じて金属イオンが豊富な電解質を流通させるステップと、複数の電極とガスケット本体との間に電位を生じて電解質内の金属イオンを作業面上に還元または堆積させることにより、シリンダボアの周囲にほぼ環状のストッパを形成するステップと、電極に送出される電気エネルギを経時的に選択的に変化させることにより、ストッパ上に輪郭成形された圧縮面を形成するステップとを含む。
【０００９】
形状学的に輪郭成形されたストッパを有するガスケットを作成するための方法は、従来の鋳造プロセスに対する経済的な代替例を提供し、極めて微細な品質制御をもたらす。さらに、この電極アレイ工具を生産するための費用は、この用途のために鋳造工具を生産するための費用よりも大幅に低い。ガスケット本体上に形状学的ストッパを直接形成することにより、レーザ溶接または他の取付けプロセスが不要となり、別の利点が認められる。さらに、鋼板消費量を実質的に削減することができる。加えて、異なる種類の金属イオンで電解質を濃縮することにより、工業合金を使用する機会が与えられる。
【００１０】
この発明のこれらの特徴、他の特徴、および利点は、以下の詳細な説明および添付の図面とともに考察すると、より容易に理解できるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
好ましい実施例の詳細な説明
いくつかの図面に亘り、同じ番号が同じまたは対応する部品を示す図面を参照すると、内燃機関の代表的な例が、図１において２０で包括的に示される。このエンジン２０は、エンジンブロック２６内に形成されたシリンダボア２４内で往復運動を行なうように支持
されたピストン２２を含むことが示される。シリンダヘッド２８は、ブロック２６に対向し、シリンダボア２４を封鎖して、加圧室を形成する。スパークプラグ３０または他の点火装置をこの加圧室に関連付けて点火を開始することができる。当然ながら、圧縮点火エンジンは、これとは異なる態様で構成されてよい。３２で包括的に示されるシリンダヘッドガスケットは、シート状の金属本体４０を有し、シリンダヘッド２８とブロック２６との間に位置決めされて、それらの間のガス気密封止を完全なものとする。間隔をあけた位置にボルト３４または他の締結要素を計画的に配置して、分散した締付け荷重をかける。ボルト３４は、ガスケット本体４０内の対応する穴３５を通る。
【００１２】
図２に示す例示的なシリンダヘッドガスケット３２は、関連付けられたエンジンのシリンダボアに対応する、間隔をあけて配置された４つの開口部３６を含む。開口部３６の数、サイズ、および配置は、エンジンの用途ごとに異なる。一般に、ストッパ３８は、各開口部３６を取り囲み、ガスケット３２の最も厚い部分に相当する。わずかに間隔をあけて配置された用途では、隣接するストッパ３８が、内部開口部３６と内部開口部３６との間で交差し得る。ストッパ３８の目的とは、すべての圧縮応力を、シリンダボア２４の周囲の良好に規定された領域に集中させ、それにより、過剰な圧縮を予めかけなくても、ガスケット３２の封止効果を高めることである。この発明のストッパ３８は、電気化学堆積技術により形成され、ここでは、金属イオンを電解質から還元させて、所望の位置にのみ、かつ、所望の厚さでのみ、ガスケット本体４０上に堆積させる。
【００１３】
次に図３を参照すると、ガスケット本体４０の一部と共に、ストッパ３８の極めて誇張した図が示される。ストッパ３８の上側圧縮面４２は、周囲のボルト３４の相対位置および予測される締付け荷重に対応するように、意図的に輪郭成形される。シリンダヘッド２８の柔軟性、ボルト３４の伸張、ストッパ周囲の可変の熱膨張、およびストッパ３８の圧縮率等の局面を考慮して、仕様通りにトルクを与えたボルト３４によりシリンダヘッド２８がブロック２６上の定位置に固着されるとストッパ３８において実質的に均等な応力分布が生じるように、圧縮面４２上に理論上の輪郭が形成される。この均等な応力分布は、ガスケット３２とそれぞれブロック２６およびシリンダヘッド２８との間の均一な封止に結び付く。図３に示す輪郭は極めて誇張して示されているが、この輪郭の変化は、実際には、肉眼で容易に認識することができない。一般に、ストッパ３８において所望の均一な応力分布を得るのに必要とされるプロファイルの高さの変動は、約６０−１５０マイクロメートルにすぎないことが考えられる。
【００１４】
図４−図７は、本明細書においてガスケットストッパ３８として例示される３次元構造を作成するために使用される電気化学堆積装置およびプロセスを示す。このプロセスによると、金属ガスケット本体４０が圧板４４上に配設される。圧板４４は、液体電解質４８で充填された電解質タンク４６に浸漬され得る。本体４０の一部をマスキングして、ストッパ３８に指定された領域以外の領域に金属イオンが不本意に堆積することを防止する。この場合、マスクは、内側障壁５０と外側障壁５２とを含む。この例において、内側障壁５０は、ほぼ円板形状であり得、形成されるべきストッパ３８の内側境界を規定する環状の外側縁端５４を有する。好ましくは、内側障壁５０には中央開口５６が設けられ、これを通じて電解質が流通し得る。外側障壁５２は、内側障壁５０の外側縁端５４に対向する環状の内側縁端５８を有する。内側縁端５８と外側縁端５４との間の空間は、ガスケット本体４０の意図される領域を露出し、その領域上に、ストッパ３８が後に形成される。外側障壁５２は、ほぼ均一な高さの複数の直立パッド６０を含んでもよい。パッド６０は２つの機能をもたらす。第１に、パッド６０の上部は、対向する工具の部品が当接するスペーサとして働く。第２に、パッド６０とパッド６０との間の間隙により、電解質は、当該電解質の流れの好ましい方向に依存して、電極間区域を横切って流通することができる。
【００１５】
圧板４４は、ボルト穴３５または他のいくつかの特徴によりガスケット本体４０をアラ
イメントするための１つ以上の位置決めピン６２を含んでもよい。この位置決めピン６２は、６４で包括的に示される、マルチセグメント化された電極アレイもアライメントする。電極アレイ６４の絶縁体６８に形成された位置決め穴６６は、位置決めピン６２を受ける。この発明の好ましい実施例において、電極アレイ６４は、規則的に間隔をあけて配置され、個々に絶縁され、本体４０の作業面上に形成されるべきストッパ３８の環状の形状に対応する環状パターンに配置された、複数の電極７０を含む。したがって、位置決めピン６２は、位置決め穴６６に位置合せされると、それぞれ活性端７２を有する個々の電極７０を、ガスケット本体４０の作業面に対して対向する関係に、かつ、ストッパ３８が形成されるべき、内側障壁５０と外側障壁５２との間に作成されるチャネルの真上に、厳密にアライメントする。
【００１６】
次に図４を参照すると、電極アレイ６４の概略表示が、電解質タンク４６内の液体電解質４８に部分的に浸漬されていることが示される。個々の電極７０、または電極のグループ７０は、スイッチングユニット７６に導電ワイヤ７４を介して接続される。次いで、このスイッチングユニット７６は、電源ユニット７８の正側に電気的に接続される。電源ユニット７８の負側は、ガスケット本体４０または圧板４４に直接接続され、このガスケット本体４０または圧板４４は、電解槽のカソード部として機能する。電極７０は、電解槽のアノード部を構成する。電源７８に通電すると、スイッチングユニット７６は、個々の電極７０のいずれか１つまたはすべてに対して電気回路を完成させる。このことが生じると、「ＯＮ」にスイッチングされた電極７０の活性端７２と、シリンダヘッドガスケット３２の導電金属本体４０との間に電位差が生じる。液体電解質４８内の金属イオンは、電界の影響を受けて溶液から還元または析出し、電解槽のカソード部の上に堆積する。したがって、これらの金属イオンは、ガスケット本体４０の上側作業面上に３次元構造として蓄積する。
【００１７】
どの電極７０をＯＮおよびＯＦＦにスイッチングするかを選択的に経時的に変化させることにより、堆積された金属イオンの輪郭成形されたプロファイルがガスケット本体４０の作業面上に成長または構築され得る。ストッパの圧縮面４２の特定のプロファイルを予め定めて、プロファイルデータ８０として、グラフィカルユーザインターフェイス（ＧＵＩ）８２を有するＰＣコントローラに入力することができる。ＧＵＩは、ユーザと通信するソフトウェアである。このＧＵＩは、モニタだけでなく、キーボード、ＰＣハードウェア、およびソフトウェアも含む。ＰＣコントローラ８２は、ＰＣＩインターフェイス８４または他のインターフェイスを介し、パルス電源７８およびスイッチングユニット７６を機能的に制御し、それにより、個々の電極７０は、電気化学堆積プロセス中の適切な時点において、通電および通電遮断され得、すなわち、ＯＮおよびＯＦＦにスイッチングされ得る。
【００１８】
電源７８は、スイッチングユニット７６とともに、必要とされる局所的なイオン堆積の量に従って局所化され得る一時的な電界を生成する。１つの手法によると、ストッパ３８のプロファイルを生成するために、局所的な電界の振幅を変化させることができ、または代替的に、異なる場所において印加時間を変えることができる。プロセス制御を詳細に説明するための例として、パルスＥＣＤを取り上げる。なぜなら、パルスＥＣＤは、微細な粒径を生じ、直接的なデジタル制御を可能にするためである。パルスＥＣＤは、ストッパ３８の可変の高さを得るために、均一な電気パルスを印加して、印加時間のみを変える。ＰＣコントローラ８２は、ＰＣＩインターフェイス８４を介してすべてのスイッチを制御し、それにより、ストッパ３８のプロファイルは、完全にプログラム可能となる。パルス制御のため、ＰＣコントローラ８２とパルス電源７８との間にも通信が生じる。
【００１９】
好ましくは、液体電解質４８は、図４において最もよく示されるように、タンク４６を再循環する。ここで、使用済みの電解質は、導管８６を介してタンク４６から排出される
。タンク４６から流出するこの流れは、電解質の温度およびその濃度を緩衝するための貯蔵タンク８８に方向付けられる。電解質４８はその後、ポンプ９２の影響下においてフィルタ９０を通過する。電解質４８は、ここから、イオン補給および調整のための補給ユニット９４に方向付けられる。電気化学堆積プロセス中に電解質内の金属イオンが消費されるため、イオンの補給が必要とされる。電極７０が不溶性である場合、電解質を交換することなく、消費したイオンを追加することができる。補給ユニット９４に追加するための金属イオンを製造する、多数の方法が存在する。たとえば、金属酸化物を導入して対応する酸と反応させ、それにより、別個のタンクにおいて水と金属塩とを生成することができる。代替的には、膜を適用して２つの電解槽を分離し、関係のないイオンを導入することなく、所望の食塩水を生成することができる。または、大きくかつ可溶性の反応面、たとえば大きなシート構造または櫛型構造を有するさらに別のアノードを導入することができる。
【００２０】
補給ユニット９４において、金属イオンの濃度は、ｐＨおよび他のイオンとともに監視される。消費可能な化学物質および他の必要な処理剤が、それに応じて追加される。さらに、このユニット９４において不純物を抽出することができる。次に、処理されて補給された電解質４８を、ポンプ９６を介してポンプ送出して電解質タンク４６に戻す。図４に示す配置において、ポンプ９６は、電解質を、内側障壁５０を通る開口５６内に経路指定する。当然ながら、電解質タンク４６内への多数の入口点を示すことができ、これらの入口点は、特定の用途の構成に依存する。この例において、電解質４８は、開口５６から、ガスケット本体４０と電極アレイ６４との間の隙間の空間内に進入する。電解質４８の流れは、所望の圧力および流量において、電極間の間隙を通って半径方向外側に広がり、スペーサパッド６０とスペーサパッド６０との間から退出する。逆の流れの方向および他の流れの計画も可能である。好ましい実施例において、電極間の間隙、すなわち、ガスケット本体４０と電極７０の活性端７２との間の空間は、０．４−３．０ｍｍの幅の範囲を有する。高い堆積率を得るために、高速の電解質対流が適用される。電解質の流量は０．５−４．０ｍ／ｓに設定され、これは、先行技術の電気化学堆積プロセスを実施する対流速度よりもはるかに高速である。
【００２１】
ＯＮにスイッチングされた電極７０の直下の電解質の流れ４８内の金属イオンは、内側障壁５０と外側障壁５２との間の溝内部において還元を経て、ガスケット表面、すなわち作業面上に堆積する。還元は、直接隣接するアノード部、すなわち電極７０がＯＮにされない限り生じない。これこそ、ガスケット３２の本体４０上における金属粒子の堆積を局所化させるために使用されるメカニズムである。アノード、すなわち電極７０上において、酸化により、酸素ガスおよび／または金属イオンが生じる。不溶性アノードの場合、たとえば、チタンまたは他の耐電解性かつ導電性材料で形成されたアノードの場合、酸素ガスのみが生成され、電解質４８から還元した金属イオンがユニット９４において補給されなければならない。
【００２２】
図８および図９は、電極が、可溶性であって、電解質４８に含まれる金属イオンに類似するか、または同一の材料で構成される、代替的な手法を示す。したがって、液体電解質４８から金属イオンが還元するのに伴い、これらのイオンは、電極の溶解作用により、すぐに補給される。具体的に、好ましい実施例からさまざまな構成要素および特徴を区別するためにダッシュ記号が使用される図８において、電極ワイヤ７４′は、電極７０′に接合し、電極７０′は、アノードボックス１００′内に含まれる複数の金属粒子９８′からなる。前面の不溶性金属スクリーン１０２′は、金属粒子９８′がボックス１００′から落下することを防止するが、電解質との接触は可能にする。粒子９８′は、不溶性のスクリーン１０２′を介して金属イオンに酸化される。ばね７１′の力を受けて、後列の粒子９８′は、前方の粒子が溶解した後に、前列に押し出される。ボックス１００′は、ほぼ空になった時点において新規の金属粒子９８′で充填される。したがって、電極７０′の
活性端７２′は、アノード材料が可溶性である場合も、常に一定の場所を有する。
【００２３】
図９は、別の可溶性電極の手法を表わす。ここでは、好ましい実施例の特徴からさまざまな特徴を区別するために二重ダッシュが使用される。図９において、可溶性のアノード、または電極７０″は、細長いスティック状のワイヤを構成する。電極７０″は、ガイドブッシュ１０４″内に保持され得る。この場合、細長い電極７０″は、その前方の活性端７２″が酸化中に浸食されるのに伴なって供給される。ほぼ一定のアノード位置、すなわち、活性端７２″の位置が、定期的な供給により維持され得る。電極７０″の断面は、電極の所望の空間を充たすために、円形、矩形、または他の構成であってよい。当初の前面の場所からのわずかな後退は、ワイヤの供給と、浸食の増加とにより補償され得る。浸食の増加は、電圧および／または時間を増大させることにより実現され、電圧および／または時間は、ＰＣコントローラにより制御される。フィードワイヤ７４″は、電極７０″に対する摺動接触界面により概略的に示されており、それにより、電極７０″を前進させて浸食を補償する間、導電性を維持する。当然ながら、可溶性電極の場合、他の技術および配置が可能である。
【００２４】
イオンの補給が補給ユニット９４を介して行なわれるか、または可溶性電極７０′、７０″を介して行なわれるかに関係なく、堆積される材料は、ニッケル、鉄、および作業面上に電気化学的に堆積することが可能なさまざまな合金を含み得る。堆積される構造の機械的特性は、工業合金を用いることによって改善され得る。
【００２５】
図１０−図１４は、ガスケットストッパ３８の引き続き例示的な状況で提示される、輪郭成形された任意のトポグラフィを生成するのに使用されるデジタルプロセスを、より具体的に扱う。次に図１０および図１１を具体的に参照すると、柱状化プロセスが示される。この柱状化プロセスは、圧縮面４２上における表面の分割を一層少なくする傾向により所望されることが考えられる。この場合、ＰＣコントローラ８２を介してプログラムが設定され、スイッチングユニット７６内で実施されるスイッチングパターンを制御する。プログラムは、目標とするプロファイルの形状寸法に対応するデータファイル８０および他のプロセス仕様に従って稼働する。この図面において、電極７０は、小さなブロックとして概略的に示される。網掛けのないブロックは、「ＯＦＦ」にスイッチングされた電極を表わし、一方で、網掛けされたブロックは、「ＯＮ」にスイッチングされた電極７０を表わし、それにより、電源７８から正の電位が送出される。
【００２６】
図１１は、１つまたは多数のパルスを含む９個の時間期間にわたるスイッチングパターンのシーケンスを表わし、当該１つまたは多数のパルスは、ストッパ３８の圧縮面４２上に輪郭成形されたプロファイルを形成する。結果的に得られる階段状のプロファイルは、理論上の、または目標とする表面プロファイル１０６にほぼ近似する。目標とするプロファイル１０６は、電極７０の幅に応じた均一なセクションに分割される。次に、プログラミングされた各セクションについての形状学的設計から、スイッチパターンおよび浸食時間が計算される。図１１は、多数のステップを含む堆積プロセスを例示する。電気化学的堆積プロセスの開始時には、２つの隣接する電極７０のみがＯＮにスイッチングされ、その直下に第１の柱（１）の最初の部分を形成する。第２の時間期間（２）には、５個の電極７０がＯＮにスイッチングされ、したがって、新規の柱と、以前の柱の上にさらなる柱とを構築する。このシーケンスは、プロファイルデータ８０を通じて最初に入力されたプログラムから決定される、異なる柱についての堆積の持続時間と共に進行する。堆積の持続時間およびスイッチングパターンは、共に変化して、作業面上に３次元プロファイルを生成する。例示的なストッパ３８の場合、電極７０は環状の１列に配置され、３次元パターンが、この環状アレイを追従する。当業者は、電極７０をマトリクス構成に配置し、それにより、静的かつ汎用でマルチセグメント化された電極アレイ６４を通じて、任意の３次元構造が得られることを認識するであろう。
【００２７】
図１２および図１３は、スイッチングパターンの論理が柱ではなく層を設けるように設計された代替的な堆積計画を表わす。この場合、均一な厚さまたはさまざまな厚さの層（１）−（９）がスイッチングパターンにおいて堆積され、このスイッチングパターンは、図１０および図１１に示したものとほぼ反対である。同様の結果が得られるが、最も幅の広い底部層（１）が最初に敷設され、最も幅の狭い上部層（９）が最後に敷設される。ＰＣコントローラ８２がプロファイルの設計に従い、線上のより多くのスイッチをＯＦＦにするほど、異なる領域の幅が狭くなる。ＰＣコントローラ８２は、最後の層（９）が堆積された後に、すべてのスイッチをオフにして電源７８を遮断する。
【００２８】
次に図１４を参照すると、カソードマトリクスの分割、すなわち、電極７０の寸法上の品質と、層の厚さとを所定のパラメータに従って基本的に決定する規則が示される。図１４は、以下の可変パラメータを使用する。
【００２９】
プロファイルの許容値−ａ、
サイクル時間−Ｔ、
最大プロファイル傾き−ρ、
浸食率−ｖ、
堆積層の総数（すなわち、堆積期間）−ｎ、
アノードセクションの幅−ｗ、および
層の厚さ−ｈ。
【００３０】
図１４にも示されるこれらのパラメータを用いて、最悪の場合のシナリオの以下の基準が満たされなければならない。
【００３１】
【数１】
2009531551.tif 000003
【００３２】
所定のパラメータは、プロファイルの精密度（ａ）、変化率、および処理率の要件を含む。３つの条件が、最小の要件に対して満たされなければならない。第１の条件（電極７０の最大幅）に反すると、プロファイルの傾斜が最も大きな場合の許容差を満たすことのできない、極めて大きなアノードセクションが生じる。この第１の条件によると、水平線に対して傾きが０に等しい場合、分割は必要とされない。なぜなら、０の傾きに対し、最大分割幅が無限であるためである。一方、曲線が或る位置において垂直方向の線に出会う場合、最大分割幅は許容差の領域（ａ）と同じぐらい小さくなければならない。第２の条件（最大層厚さ）に反すると、やはり、所定の許容差（ａ）に反してしまう。第３の条件（最小層厚さ）に反すると、全体のプロセスのサイクル時間の要件を満たすのに時間がかかりすぎるプロセスが生じる。これらの３つの条件は、最悪の場合のシナリオを決定する。安全係数を提示して、実際の分割幅および層厚さを求めることができる。最大分割幅（ｗ）は、アノードマトリクスに対する重要な仕様となる。分割しすぎると、配列状アノー
ドの製造コストが上昇する。一方、最大幅ｗよりも粗い分割は、精密度の仕様を満たすことができない。層厚さ（ｈ）およびプロファイルの設計を鑑みて、データファイル８０が生成され、デジタル化プロセスを制御することができる。データファイル８０は、層の数、堆積時間、および電極７０のスイッチングパターンを含む、各層についての情報を含む。堆積時間は層の厚さを決定する。スイッチングパターンは、或る振幅におけるプロファイルの範囲に依存する。
【００３３】
アノードおよびプロファイルを均一のセクションに適切に分割した後に、各プログラムセクションについての形状学的設計から、スイッチングパターンおよび浸食時間を次に求める。これらは、柱状化プロセス（図１０−図１１）または層化プロセス（図１２−図１３）のいずれが使用されるかにより、幾分異なるものの、同様の態様で行なわれる。
【００３４】
この発明の好ましい実施例を内燃機関２０用のガスケット３２を作成するプロセスを介して説明してきたが、当業者は、プログラム可能スイッチングユニット７６およびパルス電極７８を介して作動するマルチセグメント化された電極アレイ６４を用いて、作業面上に限りなく多様な３次元構造を作成できることを認識するであろう。上述の基準が満たされる限りは、ＰＣコントローラ８２に入力するプロファイルデータ８０を変更することにより、および、アノードマトリクス６４のサイズおよび解像度を拡張することにより、ほぼどのような３次元の形状をも得ることができる。したがって、静的かつ汎用でマルチセグメント化された電極アレイを用いて、電気化学堆積の作用を通じ、工作物上に３次元構造を構築するためのこの方法は、あらゆる用途のためのあらゆる分野に使用することができ、シリンダヘッドガスケット３２上のストッパ３８の製造に限定されない。
【００３５】
この発明の多くの変更および変形が、上記の教示に照らして可能であることは明らかである。したがって、前掲の請求項の範囲内において、この発明が、具体的に記載した態様以外の態様で実施され得ることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】シリンダヘッドとブロックとの間に締付け保持を得るために設置されたガスケットを示す、内燃機関の簡略部分断面図である。
【図２】例示的なシリンダヘッドガスケットの平面図である。
【図３】その圧縮面の、輪郭成形されたプロファイルを強調するために、そのストッパを極めて誇張した寸法で示す、ガスケットの部分斜視図である。
【図４】プログラミングされた制御を介して工作物上に３次元構造を構築するための方法および装置の概略図である。
【図５】この発明に従った活性マトリクス電気化学的堆積工具の簡略斜視図である。
【図６】図５に示す工具の分解図である。
【図７】活性マトリクス電気化学的堆積工具内に保持された加工物と、工作物と電極との間の空間を通過する電解質の流れとを示す、拡大部分断面図である。
【図８】電極の代替的な実施例の拡大断面図である。
【図９】第２の代替的な電極設計の拡大断面図である。
【図１０】間隔のあいた２つの形状学的構造の、作業面上における形成を誇張した形で示す図であり、金属イオンが電界の影響下において電解質から還元している図である。
【図１１】選択電極に通電して電気化学的堆積の作用により形状学的輪郭を形成する、時間シーケンスを示す図である。
【図１２】図１０と同様の図であるが、輪郭プロファイルが層で生成される代替的な通電シーケンスを示す図である。
【図１３】図１１と同様の時間シーケンスの図であるが、図１２の電極スイッチングシーケンスを示す図である。
【図１４】電気化学的堆積により形成されるべき、目標となる任意のプロファイルを示す図であり、この発明のためのデジタル化規則を説明するために、寸法値が可変の記号で特定される図である。
【図１】
2009531551.tif 000004
【図２】
2009531551.tif 000005
【図３】
2009531551.tif 000006
【図４】
2009531551.tif 000007
【図５】
2009531551.tif 000008
【図６】
2009531551.tif 000009
【図７】
2009531551.tif 000010
【図８】
2009531551.tif 000011
【図９】
2009531551.tif 000012
【図１０】
2009531551.tif 000013
【図１１】
2009531551.tif 000014
【図１２】
2009531551.tif 000015
【図１３】
2009531551.tif 000016
【図１４】
2009531551.tif 000017
【手続補正書】
【提出日】平成20年11月27日(2008.11.27)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
静的かつ汎用でマルチセグメント化された電極アレイを用いて、電気化学的堆積の作用を通じて工作物上に３次元構造を構築するための方法であって、前記方法は、
各々が活性端を有する複数のアノード電極を提供するステップと、
前記複数の電極を規則的なアレイ状に支持するステップと、
各電極を互いに電気的に絶縁するステップと、
各電極に電気回路を設けて個々のアノードを形成するステップと、
上に構築されるべき作業面を有するカソード工作物を提供するステップと、
その作業面が前記電極の前記活性端に対して対向しかつ間隔のあいた関係にある状態で、加工物を支持するステップと、
前記作業面と前記活性端との間の空間を通じて金属イオンが豊富な電解質を流通させるステップと、
前記電解質内の金属イオンを前記作業面上に３次元構造として還元または堆積させるために、特定の電極に送出される電気エネルギを選択的に変化させるステップと、
電気化学的堆積工程を通じて、互いに固定された関係、かつ、前記工作物に対して固定された関係で、すべての前記電極の前記活性端を支持するステップとを含む、方法。
【請求項２】
マルチセグメント化された電極アレイを用いて、電気化学的堆積の作用を通じて加工物上に３次元構造を構築するための方法であって、前記方法は、
各々が活性端を有する複数のアノード電極を提供するステップと、
前記複数の電極を規則的なアレイ状に支持するステップと、
各電極を互いに電気的に絶縁するステップと、
各電極に独立した電気回路を設けるステップと、
上に構築されるべき作業面を有するカソード加工物を提供するステップと、
その作業面が前記電極の前記活性端に対して対向しかつ間隔のあいた関係にある状態で、前記加工物を支持するステップと、
前記作業面と前記活性端との間の空間を通じて金属イオンが豊富な電解質を流通させるステップと、
前記電解質内の金属イオンを前記作業面上に３次元構造として還元または堆積させるた
めに、特定の電極に送出される電気エネルギを選択的に変化させるステップと、
電気絶縁体で前記作業面の一部をマスキングして、前記作業面の選択領域上における前記金属イオンの堆積を防止するステップとを含む、方法。
【請求項３】
内燃機関内のシリンダヘッドとブロックとの間に締付け保持を得るための種類のガスケットを作成するための方法であって、前記方法は、
作業面を有するシート状の金属ガスケット本体を提供するステップと、
前記ガスケット本体に少なくとも１つのシリンダボア開口部を形成するステップと、
複数の電極を規則的なアレイ状に支持するステップと、
各電極を互いに電気的に絶縁するステップと、
各電極に電気回路を設けて個々のアノードを形成するステップと、
その作業面が前記電極に対して対向しかつ間隔のあいた関係にある状態で、前記ガスケット本体を支持するステップと、
前記ガスケット本体に電気回路を設けてカソードを形成するステップと、
前記作業面と前記電極との間の空間を通じて金属イオンが豊富な電解質を流通させるステップと、
複数の前記電極と前記ガスケット本体との間に電位を生じて前記電解質内の金属イオンを前記作業面上に還元または堆積させることにより、前記シリンダボアの周囲にほぼ環状のストッパを形成するステップと、
前記電極に送出される電気エネルギを経時的に選択的に変化させることにより、前記ストッパ上に輪郭成形された圧縮面を形成するステップとを含む、方法。
【請求項４】
電解質を流通させる前記ステップは、毎秒０．５から４メートルの電解質流量を維持するステップを含む、請求項２または３に記載の方法。
【請求項５】
電解質を流通させる前記ステップは、前記電解質を再循環させるステップを含み、さらに、前記作業面上に堆積された金属イオンの損失分を補償するために、前記電解質に金属イオンを補給するステップを含む、請求項２または３に記載の方法。
【請求項６】
前記補給するステップは、前記作業面と前記活性端との間の前記空間の電解質上流に金属イオンを追加するステップを含む、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記補給するステップは、前記アノードから金属イオンを溶解するステップを含む、請求項５に記載の方法。
【請求項８】
前記アノードから金属イオンを溶解する前記ステップは、多孔性の膜の後ろにアノードペレットを格納するステップを含む、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記アノードから金属イオンを溶解する前記ステップは、前記作業面に向けて前記アノードを独自に移動させるステップを含む、請求項７に記載の方法。
【請求項１０】
前記補給するステップは、前記作業面と前記活性端との間の前記空間の電解質上流に金属イオンを追加するステップを含む、請求項５に記載の方法。
【請求項１１】
前記再循環させるステップは、前記電解質から不純物をフィルタ除去するステップを含む、請求項５に記載の方法。
【請求項１２】
前記電気エネルギを選択的に変化させる前記ステップは、局所的なエネルギ場の振幅を変化させるステップを含む、請求項２または３に記載の方法。
【請求項１３】
前記電気エネルギを選択的に変化させる前記ステップは、局所的なエネルギ場の持続時間を変化させるステップを含む、請求項２または３に記載の方法。
【請求項１４】
電気絶縁体で前記作業面の一部をマスキングして、前記作業面の選択領域上における前記金属イオンの堆積を防止するステップをさらに含む、請求項２または３に記載の方法。
【請求項１５】
ほぼ環状のストッパを形成する前記ステップを通じて、互いに固定された関係、かつ、前記ガスケット本体に対して固定された関係で、前記電極を支持するステップをさらに含む、請求項３に記載の方法。
【国際調査報告】
2009531551.tif 000018