(57)【要約】【解決手段】  インクを堆積するとともにその場で熱によって硬化させることによって基板上に構成材を形成するディレクト・ライト法。この方法は、基板を炉に入れることによって硬化させる必要性を克服する。好ましい実施形態では、硬化は、振動電流を流される誘導性コイル（６）を用いて実行される。コイル（６）は、ディレクト・ライト・インクが堆積された領域の上方に配置される。振動電流は、インク内に渦電流を生じさせて、インクを加熱し、硬化、焼結等によってインクを凝固させる。【選択図】      図１
2010500156.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に構造の構成材を形成するディレクト・ライト法であって、
前記基板の所定の領域上にディレクト・ライト・インクを付し、
前記ディレクト・ライト・インクを付された前記領域に隣接して誘導性加熱手段を配置し、前記ディレクト・ライト・インクを凝固させるために電磁誘導効果によって前記領域を加熱するように前記誘導性加熱手段に電流を流す、
ことを具備する方法。
【請求項２】
基板上に構造の構成材を形成するディレクト・ライト法であって、
前記基板の所定の領域上に少なくとも１本の線の形態でディレクト・ライト・インクを付し、
前記ディレクト・ライト・インクを付された前記領域に隣接して誘導性加熱手段を配置し、前記ディレクト・ライト・インクを凝固させるために電磁誘導効果によって前記領域を加熱するように前記誘導性加熱手段に電流を流す、
ことを具備し、
前記誘導性加熱手段によって生成される磁束は、前記基板上の実効的な直径が前記線の幅に概して等しい、方法。
【請求項３】
前記誘導性加熱手段が、前記堆積されたインク、前記基板の前記領域、前記領域内のさらなる構成材のうちの１つ以上を加熱するように構成されている、請求項１または２の方法。
【請求項４】
前記ディレクト・ライト・インクは、電磁誘導効果による加熱を可能にするのに十分な炭素または金属を含む導電性粒子を添加されている、請求項３の方法。
【請求項５】
前記線の幅が、約５ｍｍ未満であって、好ましくは３ｍｍ乃至５ｍｍである、請求項２の方法。
【請求項６】
前記線が、並んで配置された前記線より細い複数の線から形成されている、請求項５の方法。
【請求項７】
前記線が電気配線を形成する、請求項２、５、６のいずれか１項の方法。
【請求項８】
基板上に構造の構成材を形成するディレクト・ライト法であって、
前記基板の所定の領域上に少なくとも１本または複数の線の形態でディレクト・ライト・インクを付し、
前記ディレクト・ライト・インクを付された前記領域に隣接して誘導性加熱手段を配置し、前記ディレクト・ライト・インクを凝固させるために電磁誘導効果によって前記領域を加熱するように前記誘導性加熱手段に電流を流す、
ことを具備し、
付された前記ディレクト・ライト・インクからの前記誘電性加熱手段の高さは、前記基板に印加される磁束の量を制御するために制御される、方法。
【請求項９】
前記基板からの前記誘導性加熱手段の高さが、前記誘導性加熱手段と前記堆積されたディレクト・ライト・インクとの間の容量を監視することによって調整される、請求項８の方法。
【請求項１０】
前記誘導性加熱手段を流れる電流が、前記ディレクト・ライト・インクの加熱を制御するために監視される、請求項１乃至９のいずれか１項の方法。
【請求項１１】
前記ディレクト・ライト・インクを付する速度が、前記誘導性加熱手段による加熱を制御するために制御される、請求項１乃至１０のいずれか１項の方法。
【請求項１２】
請求項１乃至１１のいずれか１項のディレクト・ライト法によって少なくとも１つの層が形成される、基板上に堆積された複数の層によって構造を形成するための付加的製造方法。
【請求項１３】
基板上に構造の構成材を形成するディレクト・ライト法のための装置であって、
基板の領域上にディレクト・ライト・インクを付するためのインク堆積手段と、
前記ディレクト・ライト・インクを凝固させるために電磁誘導効果によって前記領域を加熱するように前記領域に隣接して位置するための誘導性加熱手段と、
を具備する、装置。
【請求項１４】
基板上に構造の構成材を形成するディレクト・ライト法のための装置であって、
基板の領域上に少なくとも１本の線の形態でディレクト・ライト・インクを付するためのインク堆積手段と、
前記ディレクト・ライト・インクを凝固させるために電磁誘導効果によって前記領域を加熱するように前記領域に隣接して位置するための誘導性加熱手段と、
を具備し、
前記誘導性加熱手段によって生成される磁束は、前記基板上の実効的な直径が前記線の幅に概して等しい、装置。
【請求項１５】
付された前記ディレクト・ライト・インクからの前記誘導性加熱手段の高さが、予め定められている、請求項１３または１４の装置。
【請求項１６】
基板上に構造の構成材を形成するディレクト・ライト法のための装置であって、
基板の領域上にディレクト・ライト・インクを付するためのインク堆積手段と、
前記ディレクト・ライト・インクを凝固させるために電磁誘導効果によって前記領域を加熱するように前記領域に隣接して位置するための誘導性加熱手段と、
を具備し、
前記誘導性加熱手段は、前記誘導性加熱手段と前記堆積されたディレクト・ライト・インクとの間の容量を監視することによって前記基板からの前記誘導性加熱手段の高さを調節するための手段を含んでいる、装置。
【請求項１７】
前記ディレクト・ライト・インクを付する速度が、前記誘導性加熱手段による加熱を制御するために制御される、請求項１３乃至１６のいずれか１項の装置。
【請求項１８】
誘導性加熱コイルが、インクを堆積するための前記インク堆積手段に取り付けられている、請求項１３乃至１７のいずれか１項の装置。
【請求項１９】
誘導性加熱コイルが、前記インク堆積手段から離れて、前記領域を続けて加熱するために設けられている、請求項１３乃至１８のいずれか１項の装置。
【請求項２０】
前記誘導性加熱手段が、前記線に対して磁束を供給するために前記線の上方に位置する先端を有する円筒形誘導性コイルを具備する、請求項１４乃至１９のいずれか１項の装置。
【請求項２１】
基板上に構造の構成材を形成する方法であって、
前記基板の所定の領域上にインクを付し、
前記インクを付された前記領域に隣接して誘導性加熱手段を配置し、前記インクを凝固させるために電磁誘導効果によって前記領域を加熱するように前記誘導性加熱手段に電流を流す、
ことを具備する方法。
【請求項２２】
基板上に構造の構成材を形成する方法であって、
前記基板の所定の領域上に少なくとも１本の線の形態でインクを付し、
前記インクを付された前記領域に隣接して誘導性加熱手段を配置し、前記インクを凝固させるために電磁誘導効果によって前記領域を加熱するように前記誘導性加熱手段に電流を流す、
ことを具備し、
前記誘導性加熱手段によって生成される磁束は、前記基板上の実効的な直径が前記線の幅に概して等しい、方法。
【請求項２３】
基板上に構造の構成材を形成する方法であって、
前記基板の所定の領域上に少なくとも１本または複数の線の形態でインクを付し、
前記インクを付された前記領域に隣接して誘導性加熱手段を配置し、前記インクを凝固させるために電磁誘導効果によって前記領域を加熱するように前記誘導性加熱手段に電流を流す、
ことを具備し、
付された前記インクからの前記誘電性加熱手段の高さは、前記基板に印加される磁束の量を制御するために制御される、方法。
【請求項２４】
基板上に構造の構成材を形成する方法のための装置であって、
基板の領域上にインクを付するためのインク堆積手段と、
前記インクを凝固させるために電磁誘導効果によって前記領域を加熱するように前記領域に隣接して位置するための誘導性加熱手段と、
を具備する、装置。
【請求項２５】
基板上に構造の構成材を形成する方法のための装置であって、
基板の領域上に少なくとも１本の線の形態でインクを付するためのインク堆積手段と、
前記インクを凝固させるために電磁誘導効果によって前記領域を加熱するように前記領域に隣接して位置するための誘導性加熱手段と、
を具備し、
前記誘導性加熱手段によって生成される磁束は、前記基板上の実効的な直径が前記線の幅に概して等しい、装置。
【請求項２６】
基板上に構造の構成材を形成する方法のための装置であって、
基板の領域上にインクを付するためのインク堆積手段と、
前記インクを凝固させるために電磁誘導効果によって前記領域を加熱するように前記領域に隣接して位置するための誘導性加熱手段と、
を具備し、
前記誘導性加熱手段は、前記誘導性加熱手段と前記堆積されたインクとの間の容量を監視することによって前記基板からの前記誘導性加熱手段の高さを調節するための手段を含んでいる、装置。
【請求項２７】
実質的に、添付の図面のいずれかの図を参照して本明細書に記述されているディレクト・ライト法。
【請求項２８】
実質的に、添付の図面のいずれかの図を参照して本明細書に記述されているディレクト・ライト法のための装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ディレクト・ライト（Direct Write）法および付加的製造（additive manufacturing）方法に関する改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
ディレクト・ライトという文言は、広く、大きく複雑であり得る形状に対して直接実行することとの両立が可能な工程を用いて２次元または３次元の機能性構造を製造することを可能にする広範囲な技術を描写している（ＤＴＩ報告書、２００４年２月、「Direct Writing」）。ディレクト・ライト製造技術には、インク・ジェット、マイクロ・スプレー（Micro-spray）、クウィル（Quill）、ペン（Pen）、エーロゾル（Aerosol）、パルス・レーザー蒸発（Pulsed laser evaporation）、レーザー直接エッチング（Laser direct etching）が含まれる。ディレクト・ライトは、能動性および受動性の機能性装置を構造部品および組み立て品上に直接製造できる能力を有している。これらの技術を用いる利点は、機能性が向上すること、サイズおよび重量が減少すること、費用が減少すること、設計が簡略化されること、部品数が減少すること、市場に達するまでの時間が短縮されることである。航空宇宙産業の分野では、ディレクト・ライトについての応用例が幾つかある。例えば、電子回路、センサ、ＲＦデバイス、ディスプレー、ステルス材料、メタ材料、パッケージ、センサ、ハーネスである。
【０００３】
付加的製造は、構造または装置または機構の層を続けて形成するための工程を表現するために用いられる総称的な用語であって、電子回路部品のような各層の構成材は、ディレクト・ライト法によって形成されることがある。「付加的」という文言は、固体の層または物体からなる材料を取り去ったり除去したりするリソグラフィー、ミリング、旋削等の従来の製造工程と対照させるために用いられている。
【０００４】
概して、ディレクト・ライトおよび付加的製造工程において、書いたり印刷したりするための材料はインクと称される。しかしながら、この材料の実際の形態は、多様な粉末、懸濁液、プラスター、コロイド、溶質、蒸気等からなっている。これらは、流体の流れとなることができ、且つ糊状、ゲル、スプレー、エーロゾル、液体の小滴、液体の流れ等の形態で塗布することができる。一旦付されると、この材料は、硬化、固形化、焼結、乾燥によって凝固され得、このとき、熱を加えて材料の状態を固相へと変化させることを含むことが多い。本明細書の目的のために、文言「ディレクト・ライト・インク」は、このような材料の全てを網羅することが意図されている。
【０００５】
その上に堆積を行なう（巨大な３次元物体である場合がある）物体または構造は、本分野では「基板」と称され、本明細書でもこの文言はそのように用いられている。堆積されたインクは、一旦基板上で凝固すると、製造している構造の構成要素または一部を構成する。
【０００６】
ディレクト・ライト向けに用いられるほぼ全ての堆積法について、堆積後、インクは硬化または固形化するか、焼結されねばならない。このことが光の照射によって可能なインクが幾つかあるが、ほとんどの高性能インクについては、基板を炉の中で熱することによって行なわれる。この方法は、多くの欠点を有している。
【０００７】
・インクについての硬化温度は、基板動作温度によって制限されている。概して、高温でインクを硬化させるほど、性能は良くなる。したがって、基板によって制限される低温で硬化させることによってインク性能が悪化し、また、使用可能なインク成分の範囲が限定される。
【０００８】
・基板上には、硬化サイクルの間に晒される高温によってその性能が損傷を受ける他の素子がある。
【０００９】
・基板が大きいと、硬化を行なうために基板を炉の中に入れることは現実的ではないかもしれない。
【００１０】
・常に、印刷には、複数の層に印刷することが必要であり、概して各層は次の層を堆積する前に熱によって固形化されなければならない。これを、各層への印刷後に基板を炉の中に入れることによって行なうと、基板に印刷加工をする際に位置決め精度に問題が生じ得る。炉の中での各硬化ステップの後に位置合わせを行なうのも、困難で、高価な処理である。
【００１１】
・複数の層を堆積する場合、基板を炉から取り出したり、続けて基板を炉の中で硬化を行なうために位置合わせを行なったりすることは、高価で時間を要するステップである。
【００１２】
米国特許出願公開第２００５／００１５１７５号明細書および米国特許第６，４０５，０９５号明細書は、幾つかの可能性のうちで、誘導性コイルを用いて凝固を行なう可能性について述べている。
【００１３】
本発明は、上記の欠点を克服するか少なくとも実質的に緩和することを目指している。
【特許文献１】米国特許出願公開第２００５／００１５１７５号明細書
【特許文献２】米国特許第６，４０５，０９５号明細書
【発明の開示】
【００１４】
本発明は、ディレクト・ライト法の基板を炉の中に入れるという必要性を、代わりにディレクト・ライト・インクをその場で熱によって硬化させることによって克服する。振動電流を流される誘導性コイルを用いる好ましい実施形態で硬化が行なわれる。コイルは、硬化される領域の上方に配置される。振動電流は硬化される領域内の電荷の動きを誘発し（渦電流）、この電荷の動きに対する抵抗が影響を受けている領域でジュール熱を生じさせ、ひいてはインクを硬化および焼結させる。硬化に必要な電流は、硬化される領域の寸法、電気的および熱的特性に依存し、適用形態の詳細事項に応じて変化する。局部への照射を用いる別の硬化法（例えばレーザーまたはランプによる照射）に関する問題は、いつ硬化が完了したか、または硬化している最中のインクの状態が実際どうであるかを確かめることが難しいことである。この発明の、少なくとも好ましい実施形態におけるさらなる利点は、自己制御および本来的に備わっている工程監視をある程度行なえることである。硬化が進行するにつれてインクの抵抗値が減少し、ひいては硬化速度が減少し得るからである。この効果は監視され、硬化は硬化が進行するに連れて自動的に調整される。
【００１５】
本発明には、好ましい実施形態において、誘導性コイルを用いることが含まれている。この方法は、金属に最も適しているが、ディレクト・ライト・インクとともに用いられて、プラスチックまたは他の低導電率の導電体または絶縁体を形成できる。これは、インクに導電性粒子（例えば炭素または金属粒子）を添加することによって、または基板内の金属または金属間層が熱伝導によって加熱され且つこの熱が絶縁性／プラスチック製インクに伝わる２次加熱によって行なわれる。この方法は、インクが電子材料またはセンサ材料を印刷するのに用いられるディレクト・ライト、および粉末またはその他のディレクト・ライト・インクが用いられて積層された構造構成材を作り上げるＡＬＭ（additive layered manufacturing）、高速プロトタイピング（rapid prototyping）、高速製造法（rapid manufacturing）と呼ばれる付加的製造方法に適している。重要な制御パラメータの１つは、硬化される特徴部からのコイルの高さである。これは、コイルと硬化しているインクとの間の容量を監視することによって本来備わっている特徴を用いて行なわれ得る。
【００１６】
第１の視点では、本発明によって、基板上に構造の構成材を形成するディレクト・ライト法であって、前記基板の所定の領域上にディレクト・ライト・インクを付し、前記ディレクト・ライト・インクを付された前記領域に隣接して誘導性加熱手段を配置し、前記ディレクト・ライト・インクを凝固させるために電磁誘導効果によって前記領域を加熱するように前記誘導性加熱手段に電流を流す、ことを具備する方法が提供される。
【００１７】
第２の視点では、本発明によって、基板上に構造の構成材を形成するディレクト・ライト法であって、前記基板の所定の領域上に少なくとも１本の線の形態でディレクト・ライト・インクを付し、前記ディレクト・ライト・インクを付された前記領域に隣接して誘導性加熱手段を配置し、前記ディレクト・ライト・インクを凝固させるために電磁誘導効果によって前記領域を加熱するように前記誘導性加熱手段に電流を流す、ことを具備し、前記誘導性加熱手段によって生成される磁束は、前記基板上の実効的な直径が前記線の幅に概して等しい、方法が提供される。
【００１８】
第３の視点では、本発明によって、基板上に構造の構成材を形成するディレクト・ライト法であって、前記基板の所定の領域上に少なくとも１本または複数の線の形態でディレクト・ライト・インクを付し、前記ディレクト・ライト・インクを付された前記領域に隣接して誘導性加熱手段を配置し、前記ディレクト・ライト・インクを凝固させるために電磁誘導効果によって前記領域を加熱するように前記誘導性加熱手段に電流を流す、ことを具備し、付された前記ディレクト・ライト・インクからの前記誘電性加熱手段の高さは、前記基板に印加される磁束の量を制御するために制御される、方法が提供される。
【００１９】
さらなる視点では、本発明によって、基板上に構造の構成材を形成するディレクト・ライト法のための装置であって、基板の領域上にディレクト・ライト・インクを付するためのインク堆積手段と、前記ディレクト・ライト・インクを凝固させるために電磁誘導効果によって前記領域を加熱するように前記領域に隣接して位置するための誘導性加熱手段と、を具備する、装置が提供される。
【００２０】
また、本発明は、上述のディレクト・ライト法によって少なくとも１つの製造層が形成される、基板上に堆積された複数の層によって構造を形成するための付加的製造方法に及ぶ。
【００２１】
有利なことに、本発明は、基板が平坦な表面またはコンフォーマル（conformal）な表面を有する構造構成材である付加的製造方法への用途を有することが見出された。ここで、コンフォーマルな表面とは２方向において湾曲している表面を意味する。コンフォーマルな表面に付されたディレクト・ライト・インクを誘導性コイルによって加熱することによって、インクが付された領域へと加熱の領域を局地化することができる。しかし、誘導性コイルが基板から離れているので、コイルは表面の非線形を形状に沿っていくことができる。
【００２２】
本発明は、また、基板上に構造の構成材を形成するディレクト・ライト法のための装置であって、基板の領域上に少なくとも１本の線の形態でディレクト・ライト・インクを付するためのインク堆積手段と、前記ディレクト・ライト・インクを凝固させるために電磁誘導効果によって前記領域を加熱するように前記領域に隣接して位置するための誘導性加熱手段と、を具備し、前記誘導性加熱手段によって生成される磁束は、前記基板上の実効的な直径が前記線の幅に概して等しい、装置に属する。
【００２３】
本発明は、また、基板上に構造の構成材を形成するディレクト・ライト法のための装置であって、基板の領域上にディレクト・ライト・インクを付するためのインク堆積手段と、前記ディレクト・ライト・インクを凝固させるために電磁誘導効果によって前記領域を加熱するように前記領域に隣接して位置するための誘導性加熱手段と、を具備し、前記誘導性加熱手段は、前記誘導性加熱手段と前記堆積されたディレクト・ライト・インクとの間の容量を監視することによって前記基板からの前記誘導性加熱手段の高さを調節するための手段を含んでいる、装置に属する。
【００２４】
ディレクト・ライト法によって形成された構成材は、軌跡または線であることが典型的である。この軌跡または線は、それらの幅や基板からの高さと比べて長い。そのような軌跡または線は、電気配線、電気抵抗素子または電気リアクタンス素子、またはフィルタのような受動性部品を形成し得る。インクを堆積する必要が有る箇所（例えば長方形の容量パッド）では、これらは、若干の間隔を有するか相互に接する多数の平行線を堆積することによって形成することができる。または、表面が所望の電磁反射特性または電磁吸収特性を得られるように線が表面に亘って分布していてもよい。
【００２５】
概して、ディレクト・ライト法によって形成される軌跡の幅は、様々な要因に依存する。このような要因には、例えば、圧力、ノズルの大きさ、先端から基板へのオフセット、処理速度の処理パラメータだけでなく、粘度や表面への記載特性温度などのインクおよび基板の固有の特性が含まれる。
【００２６】
実際上、軌跡の幅は、５ｍｍ未満であって、例えば３乃至５ｍｍとすることができる。しかしながら、この幅は、ノズルの直径および基板からのノズルの距離に主に依存してあらゆる所望の値まで減じることができる。現在のところ、約５０ミクロンの最小幅が想定されている。
【００２７】
導電性の軌跡は、この軌跡よりもずっと細い平行の軌跡の連なりから構成することができる。例えば、幅が５ｍｍの軌跡は、幅が９００ｍｍの５本の細い軌跡から形成され得る。
【００２８】
ディレクト・ライトによって堆積される軌跡の幅は、軌跡を加熱するための誘導性コイルの寸法を決定するのに重要なパラメータである。生成される磁束が軌跡の幅の全体を覆うことが好ましいからである。同様に、軌跡の幅の外側に実質的な磁束を生成するコイルは、エネルギーの無駄であり、近隣の構造に影響を与え得る。
【００２９】
よって、軌跡の幅に比べて直径の小さな誘導性コイルを設けることが好ましい。軌跡が平行線の連なりとして形成されている場合、コイルは、各線の幅に匹敵する直径を有し得る。好ましい構成では、円筒形コイルが、軌跡に隣接する先端において強い磁束が生成されるように軌跡の上方に縦向きに配置される。コイルは、両端が軌跡に隣接して配置されるようにＵ字形状に形成されてもよい。強磁性コア素子のような磁束を収束させる素子が用いられてもよい。しかしながら、所望により、例えばドーナツ形状、平坦のようなあらゆる形状および構成のコイルを用いることができる。
【００３０】
コイルと軌跡との間の距離も重要な要因であることが分かっている。この間隔は、約５０ミクロン未満であることが望ましい。この間隔を検知するために容量ブリッジが用いられることが好ましい。
【００３１】
軌跡において生成される熱量は、インクの電気抵抗に依存する。インクは、初期抵抗が１００台Ω／ｍであることが典型的であるが、この値は硬化が起こるに連れて減少し、適切な硬化条件では１Ω／ｍ未満まで減少し得る。堆積されたインクの軌跡の寸法（高さ、幅）も、抵抗に直接的に影響する。電気配線用には、抵抗値は３．５Ω／ｍであることが典型的である。
【００３２】
本発明は、基板上に構造の構成材を形成する方法であって、前記基板の所定の領域上にインクを付し、前記インクを付された前記領域に隣接して誘導性加熱手段を配置し、前記インクを凝固させるために電磁誘導効果によって前記領域を加熱するように前記誘導性加熱手段に電流を流す、ことを具備する方法に及んでいる。
【００３３】
また、本発明は、基板上に構造の構成材を形成する方法であって、前記基板の所定の領域上に少なくとも１本の線の形態でインクを付し、前記インクを付された前記領域に隣接して誘導性加熱手段を配置し、前記インクを凝固させるために電磁誘導効果によって前記領域を加熱するように前記誘導性加熱手段に電流を流す、ことを具備し、前記誘導性加熱手段によって生成される磁束は、前記基板上の実効的な直径が前記線の幅に概して等しい、方法に及んでいる。
【００３４】
また、本発明は、基板上に構造の構成材を形成する方法であって、前記基板の所定の領域上に少なくとも１本または複数の線の形態でインクを付し、前記インクを付された前記領域に隣接して誘導性加熱手段を配置し、前記インクを凝固させるために電磁誘導効果によって前記領域を加熱するように前記誘導性加熱手段に電流を流す、ことを具備し、付された前記インクからの前記誘電性加熱手段の高さは、前記基板に印加される磁束の量を制御するために制御される、方法に及んでいる。
【００３５】
本発明は、基板上に構造構成材を形成するための上記の全ての方法のための装置にまで及ぶ。
【００３６】
本発明の上記の特徴およびさらなる特徴は、添付の請求項において示され、以下の「例」での詳細な説明と添付の図面を参照して提示されている本発明の例示的な実施形態とを検討することによって、その利点とともに示されるとともに、より明確になるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３７】
図１を参照すると、本発明の動作原理を示す概略図が示されている。この図に示されているように、硬化されるインク２が（平坦または湾曲している）基板４上に堆積されている。次いで、硬化されるインク２は、インクの印刷された／堆積された部分に沿って、誘導性コイル６によって全体を走査される。インク２とコイル６との間隔８および走査速度が制御されて最適な加熱を行なう。堆積と硬化が１回のステップで行なわれるようにコイルが自動的かつ即座に堆積したインクを追跡するように、コイル６を堆積ヘッドに取り付けることができる。または、硬化ステップを堆積ステップから分離して、コイルが堆積ヘッドとは独立して堆積された部分を走査することができる。
【００３８】
次に、図２を参照すると、本発明の一実施形態に係る誘導性加熱コイルを取り込んでいるディレクト・ライト法向けの印刷ヘッドの概略図が示されている。この実施形態は、大まかには図１に一致しており、このため同じ参照符号が同じ部分について用いられている。同様に、同じ部分は繰り返しを避けるために詳細には記述しない。図２に示されているように、誘導性コイル６はプリント回路内の平坦なコイルとして形成されており、ディレクト・ライト・インク・ジェット機構の堆積ヘッド１０の下面に取り付けられている。ヘッド１０は、ディレクト・ライト・インク（これは気相、粒状、ジェット、液体押出しのいずれかであり得る）を放出するためのノズル１２を含んでいる。交流電流源１４はコイル６に接続され、電流計１６が用いられてコイルを流れる電流を監視する。図示されているように、印刷ヘッド１０およびコイル６とインク２との間隔８は、これに関連する容量Ｃｈを有している。容量Ｃｈはヘッドの高さに依存する。この容量値Ｃｈは、容量ブリッジ１８において、（図２に示されているような）参照容量ＣＲに対して測定される。測定の結果得られる電圧Ｖが用いられて、適切な機構２０によってヘッドの高さが調節される。容量値Ｃｈによって、最適な堆積および加熱を行なうためのヘッド１０の高さを監視する手段が提供される。加熱電流を測定することによって、２２において概略的に示されているように、堆積されたインクの加熱の全体を制御する手段が提供される。インクが固相へと変化するに連れて、電流に対するインクのインピーダンスが変化し、ひいては加熱電流がこれに応じて変化するからである。正確なインク特性および線の特性に依存して、インクの線の抵抗およびリアクタンスは減少（または増加）し得る。
【００３９】
図３を参照すると、この図は、付加的製造方法によって製造される構造を示している。この図において、大きな３次元部品からなる基板３０は、コンフォーマルな表面、つまり２方向において湾曲した表面を有している。電子構造３２は、（図３では一部のみが示されている）基板の上に形成されている。電子構造３２は、基板表面上に直接形成されている絶縁層構成材３４と絶縁層の上に形成されている導電層構成材３６を含んでいる。
【００４０】
構成材３４、３６は、連続する層で形成されており、各々が、図２の印刷ヘッドを用いて、ディレクト・ライト法を含んだ工程によって形成されている。印刷ヘッドは基板表面から離れているので、この表面の複雑な曲面はインク堆積工程にも、これに続くインクの加熱および硬化にも影響しない。
【００４１】
例
５０μｍもの細さの線を基板の角度が３０°未満であるコンフォーマルな表面上に塗布するようにnScrypt社の「スマート・ポンプ（Smart Pump）」の詳細が定められる。「マイクロ・ペン（micro pen）」システムを用いた理論的な軌跡の解像度は、外径が７５μｍの先端を用いると、１００μｍである。しかしながら、現在までに作り出された最も細い線は、外径が１７５μｍの先端を用いて、約２３０μｍである。
【００４２】
材料の特徴付けおよび処理の最適化を援助するために、Intertronics社のDK118ディジタル・ディスペンサ（Digital Dispenser）が用いられる。これは、単純な圧力レギュレータを用いて材料を流すベンチトップ型シリンジ・システムである。出力の圧力は、１Ｐｓｉ単位で１Ｐｓｉから１００Ｐｓｉまで設定可能で、バレル・サックバック機能によって低粘度材料が滴り落ちることが防止される。Ｉ／Ｏポートによって、このディスペンサが外部装置とインターフェースを取ることが可能になる。この噴射技術の解像度は、利用できるノズルの大きさおよび公差によって制限される。ノズルは、ステンレス製の筒を有し、軌跡の幅を示すのは筒の外径である。そして、軌跡の幅および高さは、基板とノズルとの間のオフセットを変えることによって、または移動プラットフォームの速度を変えることによって調節することが有利である。同様に、軌跡の始点の質は、ＸＹ移動の開始と圧力の開始との間のタイミングを調整することによって向上させることができる。
【００４３】
ディレクト・ライトの先端と基板との間のオフセットは堆積の最中、維持されねばならない。このオフセットが軌跡の寸法に影響するからである。先端が高過ぎると、インクは表面に届かず、低過ぎるとインクが流れないとともに先端に損傷を与える危険がある。このオフセットは、典型的には、描こうとしている軌跡の幅に応じて５０μｍ乃至２００μｍである。Keyence社のLK081レーザー変位センサがＺステージに搭載されている。このレーザー・センサは、作動距離が８０ｍｍであって、スポット・サイズが７０μｍであって、測定範囲が±１５ｍｍであって、解像度が±３μｍである。得られる高さ情報の精度は、ＸＹ移動ステージおよびＺ移動ステージと、変位センサの精度を反映している。
【００４４】
本システムは、予想を上回る高い精度および制御性を持って実行できることが分かった。Intertronics社のシリンジとともに用いることができる利用可能な最小のノズルは、外径が２００μｍ未満であるため、達成可能な最小の軌跡の幅は２００μｍである。上述のディジタル・ディスペンサは、スマート・ポンプよりも短い時間で最適化を行い、これは、より大きな形状が求められる場合にスマート・ポンプよりも好ましいことを意味している。
【００４５】
ディレクト・ライト向けの適切なスクリーン印刷可能インクは、堆積後に硬化させる必要がある。硬化温度は、材料の組成と硬化工程に応じて約８０℃乃至１０００℃に亘る。３つのインク組成がある。第１の組成は、樹脂基質内の金属粒子からなる。導電層を形成するために、金属粒子は融合されなければならない。これは、樹脂が燃え尽きて金属の一続きの層が残る高温でのみ達成可能である。このタイプは、高い動作温度に耐えることができ、ガス・センサ、燃料電池、アクチュエータ・ブロック向けの導電体に用いられるのが典型的である。別のインク組成では、高分子樹脂は、除去されず、また熱硬化性または熱可塑性である。熱可塑性インクは硬化せずに、溶媒が加熱によって取り除かれて、結合剤内に高分子樹脂が残る。導電率は、樹脂内の金属または炭素粒子によるものである。これらのインクは、樹脂のガラス転移温度が低いので、高い動作温度に耐えられない。熱硬化性インク内の樹脂は、熱可塑性インクよりも低い温度で架橋反応を起こす。
【００４６】
硬化ステップによって、ディレクト・ライト法の範囲が制限される。多くの基板材料が、高い処理温度に耐えられないからである。加えて、炉の大きさによって、ディレクト・ライトを用いて製造可能な構造の大きさが制限される。ディレクト・ライト法自体は、様々な範囲および大きさの構造構成材に適用できるので、別の硬化方法が好都合である。
【００４７】
配線についての抵抗の要件は、２０℃において３．５Ω／ｍである。構造構成材上へのディレクト・ライトに適したインクは、概して、導電率が低い。このため、所望の性能をもたらすのに、より大きな軌跡が必要である。要求される軌跡の寸法が大きいので、nScrypt社のスマート・ポンプよりもIntertronics社のディジタル・ディスペンサを用いる方が実用的である。nScrypt社のシステムでは、インクの噴射のための最適なポンプ条件を決定するのに多大な専門知識が必要である。ディジタル・ディスペンサは最適化を行なうための時間がより短く、より大きなサイズのノズルを利用できるということは、所望の幅を作り出すのに走査する回数が少なくて済むことを意味する。
【００４８】
そのようなインクを誘導性加熱によって効率的に硬化させるために、コイルの直径はディレクト・ライトの軌跡と同様である必要がある。結合効率が、コイルと軌跡の重なる部分の面積に比例するからである。このため、幅が５ｍｍの軌跡の例を用いると、コイルの直径は最大５ｍｍである必要がある。コイルの直径は、これよりも小さくてもよいが（結合は高くなる）、こうすると、ディレクト・ライトの軌跡の幅の全体を網羅するために複数回通過させる必要があることに留意されたい。これは、複数の細い線が用いられて軌跡を形成する場合に利用できる。１回の通過で１本の細い線を網羅し得るからである。発明者らが認識する別の重要なパラメータは、コイルと軌跡表面との間隔である。この間隔が大きくなると、結合が非常に急速に悪化することが見出されたからである。しかしながら、この損失は、間隔が５０ミクロン未満に維持されていれば最小化されるはずである。このことは、ディレクト・ライト法では最大で２０乃至３０ミクロンに維持されることが要求され、これが発明者らによって首尾よく達成されたことに留意されたい。
【００４９】
具体例として、ディレクト・ライトの軌跡を５０％の結合効率、コイルの移動速度が１ｍｍ／ｓ、３０ミクロンの幅の銀色の軌跡を２０００℃まで加熱することに基づいて、発明者らは、電力が最大１５０Ｗのコイルが必要であることを見出した。これよりも高電力になれば、処理速度は上昇する。記述されている実施形態では、誘導性コイルは、英国、郵便番号GL526RUグロスターシャー州チェルトナム・バトルダウン・インダストリアル・エステート（Battledown Industrial Estate）・サクソンウェイ通り（Saxon Way）のCheltenham Induction Heating Limited社（電子メール: sales@cihinduction.com, ウェブサイト: www.cihinduction.com）から入手可能である。
【００５０】
次に、図４を参照すると、本発明の別の実施形態に係る誘導性加熱コイルを取り込んでいるディレクト・ライト法向けの別の印刷ヘッド装置４０の概略図が示されている。この実施形態は、大まかには図２の実施形態と一致しており、このため同じ参照符号が同じ部分について用いられている。同様に、同じ部分は繰り返しを避けるためにさらに詳細には記述しない。図４に示されているように、本加熱システムは、誘導性コイル６、ＲＦ電源１４、水冷器４１を含んでいる。電源１４および水冷器４１はコイル６に接続されている。この実施形態では、コイルは直径が最大で２０ｍｍのシングル・コイル中空線であって、水冷器４１からの水はコイルが過熱しないようにコイル内を流すように誘導される。図において、加熱される構成材は、ｘｙ方向において移動するように移動システム４２上に配置されている。加熱される構成材のための基部は木であって、使用にあたって誘導性の加熱に間接的に全く寄与しない。コイル６は、加熱される構成材の表面から最大２ｍｍ離すのが典型的である。加熱を行なうために、加熱される構成材を動かしてから誘導性コイル６がオンされる。
【００５１】
テスト・サンプルは、アルミナ、炭素繊維合成物、下塗り剤で覆われたアルミナの上に印刷された銀色のディレクト・ライトによる軌跡から構成された。軌跡の長さおよび幅は様々であって、長さが１００ｍｍ乃至１５０ｍｍ、幅が２．５ｍｍ乃至５ｍｍであるのが典型的であった。用いられた軌跡の厚さは、２０乃至３０μｍが典型的であった。温度の指標として、温度を示す液体（Tempilaq）がディレクト・ライトによって書かれた軌跡の小さな部分に配置された。使用にあたって、この液体の色の変化は、温度が１２０℃を超えたことを示した（１２０℃は、図４の実施形態に従った熱硬化性インクについて用いられた典型的な硬化温度である）。
【００５２】
Cheltenham Induction Heating社による誘導性コイルとともに図４の装置を用いて得られた結果の概要が表１に示されている。表１は、図４の装置を用いた誘導性加熱測定の結果の表である。
【表１】
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【００５３】
これらの結果は、誘導性加熱の結果を確認するための実験の結果である。これらの結果は、誘導性加熱が用いられて、結果、ディレクト・ライトの軌跡を、絶縁性材料（アルミナ）上でも導電性材料（ＣＦＣ、アルミニウム）の上でも炉で硬化したサンプルと両立する硬化した材料の抵抗値で、硬化させることが可能であることを示している。ＣＦＣを用いた結果は成功であったことが分かった。ＣＦＣに対する何らの目に見える影響無しに良好な導電性を実現することができたからである。
【００５４】
この例で用いられた電力は比較的高いが、電力のレベルは変更可能であることが理解されるべきである。必要に応じて、例えば、軌跡に適合している寸法のコイルには、この電力のほんの一部が必要なだけである。さらに、より小さいコイルについては、水冷は必要ではないことが理解されるべきである。
【００５５】
実施形態または例のいずれか１つとの関連で記述されているあらゆる特徴は、単独で用いられてもよいし、記述されている別の特徴との組合せで用いられてもよいし、この１つとは別の実施形態または例の他の特徴との組合せで用いられてもよいし、実施形態および例の別の１つとのあらゆる組合せとの組合せで用いられてもよいことが理解されるべきである。また、当業者は、本発明の範囲から逸脱することなくここまで記載した実施形態に対して修正や変更を行なうことができる。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の動作原理を示す概略図。
【図２】本発明の実施形態に係る誘導性加熱コイルを取り込んでいるディレクト・ライト法向けの印刷ヘッドの概略図。
【図３】２方向において湾曲しているとともにその上に本発明の実施形態の付加的製造法によって電子部品を形成されている構造構成材の概略図。
【図４】本発明の別の実施形態に係る誘導性加熱コイルを取り込んでいる装置の概略図。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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