(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスと線材を送出する所定長さの細孔の開口部近傍に電極を配設し、前記線材を前記開口部から突出させた状態で前記電極との間で放電して該線材の端部を溶融させ、該溶融によって形成された溶融球を前記開口部から送出されるガス流で飛翔させることを特徴とする金属材料の転移方法。
【請求項２】
前記開口部の外周にガス流を発生させることを特徴とする請求項１に記載の金属材料の転移方法。
【請求項３】
前記細孔に電界又は磁界を発生させることを特徴とする請求項１に記載の金属材料の転移方法。
【請求項４】
前記金属材料として、１０００℃を越える高融点の金属を用いることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の金属材料の転移方法。
【請求項５】
請求項１から請求項３のいずれかに記載の金属材料の転移方法によって、金属材料を転移させることを特徴とする金属材料の転移装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、特に金やニッケル等の１０００℃を越える高融点の金属にも用いることができる金属材料の転移方法及びその装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在、複雑なマイクロ形状を作り出す造形方法が数多く存在するが、いずれの方法も造形のみを視点においたものが多く、金属の持つ機能を集積するような造形方法はほとんど存在しない。
そこで、既に金属材料の機能を生かした三次元機能構造体の造形を行うメタルジェット方法を提案してきた（特開平１０−１５６５２４号公報、特開平１０−１９３０７９号公報、特開平１０−１９５６７６号公報、特開平１０−２２６８０３号公報）。
この方法は、溶融金属をドットとして噴出させ、コンピュータ制御で基板上を走査して二次元画像を描画させ、これを積層することにより任意の三次元構造体を制作するものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、これまで提案してきた方法は、溶融させた金属をノズルに導き、このノズル内の溶融金属を噴出させる方法であったために、使用してきた金属は、低融点の金属しか使用できず、機能材料として用いられる実用的な多くの高融点金属は適用することができなかった。
なぜなら、高融点材料を用いるためには、ノズルを含めた装置が高温状態に耐えられなければならない。通常、鉄の融点は、１５３５℃であり、この鉄を材料として使用する場合には、１５３５℃以上に加熱する装置が必要となる。ライターの火の温度がおよそ９００℃であり、ガス焜炉の火にしても同等である。大出力の電気炉では装置全体が溶けてしまう。
【０００４】
そこで本発明は、高融点の材料をドット毎に噴出させることができる金属材料の転移方法及びその装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の本発明の金属材料の転移方法は、ガスと線材を送出する所定長さの細孔の開口部近傍に電極を配設し、前記線材を前記開口部から突出させた状態で前記電極との間で放電して該線材の端部を溶融させ、該溶融によって形成された溶融球を前記開口部から送出されるガス流で飛翔させることを特徴とする。
請求項２記載の本発明は、請求項１に記載の金属材料の転移方法において、前記開口部の外周にガス流を発生させることを特徴とする。
請求項３記載の本発明は、請求項１に記載の金属材料の転移方法において、前記細孔に電界又は磁界を発生させることを特徴とする。
請求項４記載の本発明は、請求項１から請求項３のいずれかに記載の金属材料の転移方法において、前記金属材料として、１０００℃を越える高融点の金属を用いることを特徴とする。
請求項５記載の本発明の金属材料の転移装置は、請求項１から請求項３のいずれかに記載の金属材料の転移方法によって、金属材料を転移させることを特徴とする。
【０００６】
【発明の実施の形態】
本発明の第１の実施の形態による金属材料の転移方法は、所定長さの細孔からガスと線材を送出させ、線材を開口部から突出させた状態で放電して溶融させ、表面張力で形成された溶融球を前記開口部から送出されるガス流で飛翔させるものである。本実施の形態によれば、放電によって形成される溶融球によって、開口部を閉塞しようとするが、細孔から噴出しているガス流によって、溶融球にガス流による抗力が加わり、溶融球を飛翔させることができる。従って、本実施の形態によれば、高温の溶融球をノズル等の転移装置に接触させることなく形成して飛翔させることができ、またガス流によってノズル等の転移装置や線材を冷却することもできる。
【０００７】
また、本発明の第２の実施の形態は、第１の実施の形態における金属材料の転移方法において、細孔の開口部外周にガス流を発生させるものである。本実施の形態によれば、細孔の外周に発生させるガス流によって、溶融球の飛翔方向を規制することができ、目標とする位置に溶融球を誘導することができる。
【０００８】
また、本発明の第３の実施の形態は、第１の実施の形態における金属材料の転移方法において、細孔に電界又は磁界を発生させるものである。本実施の形態によれば、細孔に発生させた電界又は磁界によって細孔内での線材の位置を規制することができ、溶融球の形成位置を一定にすることができるので、目標とする位置に溶融球を誘導することができる。
【０００９】
また、本発明の第４の実施の形態は、第１から第３の実施の形態における金属材料の転移方法において、１０００℃を越える高融点の金属材料を用いるものである。第１から第３の実施の形態によれば高融点の材料を用いることができ、本実施の形態によれば、実用的に用いられる高融点金属材料の機能を生かした構造体を造形することができる。
【００１０】
また、本発明の第５の実施の形態による金属材料の転移装置は、第１から第３の実施の形態における金属材料の転移方法によって、金属材料を転移させるものである。本実施の形態によれば、実用的に用いられる高融点金属材料の機能を生かした構造体を造形することができる。
【００１１】
【実施例】
以下、本発明の一実施例による金属材料の転移方法を説明する。
図１は同実施例に用いる転移装置の概念を示す構成図である。
同図に示すように、ノズル等を構成する転移装置本体１０は、線材２０及びガスを通すための所定長さの細孔１１と、細孔１１内にガスを供給するガス供給部１２と、細孔１１内に線材２０を供給する孔１３とを備えている。ここで細孔１１の開口部は外方向に向けて漸次拡大させていることが好ましい。また孔１３は、細孔１１の軸線と一致する位置に設けることが好ましい。またガス供給部１２から細孔１１までのガス流路は、細孔１１の開口部へ向けたガス流を生じやすいように、孔１３側から細孔１１の開口部側に向かう方向に設けることが好ましい。またガス供給部１２から供給するガスは、空気等でもよいが、不活性ガスを用いることで、金属の酸化を防止することができる。
線材２０は、供給部３０によって転移装置本体１０に供給される。この供給部３０は、例えばステッピングモータ等を用いて構成され、所定量づつ線材２０を供給することができるように構成されている。
電極４０は、タングステン等で構成され、細孔１１の近傍に配置されている。供給部３０と電極４０には、電源部５０から所定の電圧と電流が供給される。
【００１２】
次に、上記転移装置の動作について説明する。
線材２０は、図示のように、細孔１３を経由して細孔１１内を貫通し、細孔１１の先端から突出した状態に配設される。一方、ガス供給部１２からは、一定圧のガスが常に供給される。このガス供給部１２から転移装置本体１０内に供給されるガスは、細孔１１内に導入される。そして細孔１１内に導入されたガスは、細孔１１の開口部から高速のガス流となって噴出する。
なお、線材２０として、直径が３０μｍ程度のものを使用する場合には、線材２０を供給部３０から押し出しによって送り出す方法は困難である。これは、送り出しの力によって、線材２０が途中で座屈を生じてしまうためである。本実施例によれば、線材２０は、細孔１１内を流れるガス流によって生じるガス粘性抵抗により、細孔１１の先端側に向けた引っ張り力が作用する。従って、線材２０は細孔１１の先端から突出するように導かれる。
【００１３】
まず、図示のように線材２０を細孔１１の先端から所定長さ突出させた状態で、電源部５０から、供給部３０と電極４０に電圧を印加する。この電圧の印加によって、細孔１１から突出した線材２０の端部で放電が生じ、線材２０の端部は溶融し球状となる。そして、この球状となった溶融球は、細孔１１から高速で噴出されているガス流によって飛翔される。
溶融球が飛翔されると、供給部３０から所定量の線材２０が送り出される。線材２０は、上記説明のように、細孔１１の先端側に向けた引っ張り力が作用しているので、再び細孔１１の先端から所定量突出する。この状態で再度電源部５０によって電圧が印加される。
上記の動作を繰り返すことで、連続的に溶融球を飛翔させることができる。
【００１４】
次に、図２から図４を用いて溶融球が形成され飛翔するまでの動作について説明する。
まず、図２に示すように、細孔１１から線材２０が突出した状態で放電が行われる。
この放電によって、線材２０は、先端部から溶融し、細孔１１の先端に近い位置で溶融球を形成する。この状態を図３に示す。この状態では、溶融球は、細孔１１から噴出するガス流を受けることになる。従って、図４に示すように、溶融球は、線材２０から分離してガス流によって飛翔される。
【００１５】
次に放電方法について以下に説明する。
放電によって、使用金属を溶融させて溶融球を形成するためには、２つの工程で行うことが好ましい。はじめの工程で、大きな電圧値をきわめて短い時間発生させる。この短時間の高電圧によって放電のきっかけをつくる。ここで印加時間を長くすると放電エネルギーが大きくなってしまうだけでなく、金属材料を溶融する際に、材料の蒸発、飛散を引き起こしてしまう。その後の工程で、電圧値を低下させ、比較的低い電圧値を保つように制御する。
【００１６】
以下に実験例を示す。
放電の設定値として放電電流を５０ｍＡ、放電時間を１６ｍｓに設定し、両電極間の距離を２００μｍとした。また陽極に使用する材料を直径３０μｍの金線として、陰極電極としてタングステンを用いた。
上記の条件の下で、まず、約２０００Ｖの電圧を約４０μｓ印加し、次に残りの放電時間、電圧値を約３００Ｖに保持した。
上記の放電によって、金線の端部から、直径が約２００μｍの溶融球を飛翔させることができた。
【００１７】
なお、上記転移装置を用い、直径２５μｍのニッケル線を線材として使用した結果、直径３０μｍの金線の場合と同様に、放電によって溶融球を形成させ、ガス流によって飛翔させることができた。
【００１８】
次に本発明の他の実施例について説明する。図５及び図６はいずれも細孔部だけの概念を示す構成図である。これらの実施例はいずれも溶融球の飛翔を安定化させるための実施例である。
図５は、細孔１１の外周にガイド管６０を設けて、二重管構造にしたものである。そして、細孔１１とガイド管６０との間にもガス流を発生させている。
このように、細孔１１の外周にガス流を発生させることで、この新たなガス流によって、飛翔した溶融球の飛翔方向を規制することができ、溶融球の飛翔を安定化させることができる。
図６は、細孔１１の内周面に設けたメッキ層７０によって電界を発生させ、又は外周に設けたコイル８０によって磁界を発生させ、電界又は磁界によって、細孔１１内での線材２０の位置を中央に保持、溶融球の飛翔を安定化させるものである。
なお、上記実施例ではいずれも高融点金属材料を用いて説明したが、低融点の金属材料を用いることもできる。
【００１９】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、高融点の材料を噴出させることができる金属材料の転移方法及びその装置を提供することができる。
本発明によれば、このように高融点金属材料を１ドット毎の粒状にして噴出することができるので、工業上各方面で応用ができる。例えば、一次元的な応用例としては、金や銅等の高融点金属材料によって金属球を形成し、この金属球を使ってロウ付けや配線を行うことができる。また、二次元的な応用としては、インクジェットプリンタと同様に文字を形成したり、また使用する金属材料の種類を変えることで色違いの絵を描くことも可能である。また、三次元的な応用としては、構造物の造形や、三次元的電気回路の製作、三次元傾斜機能材料の製造も可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例に用いる転移装置の概念を示す構成図
【図２】同実施例によって溶融球が形成され飛翔するまでの動作説明図
【図３】同実施例によって溶融球が形成され飛翔するまでの動作説明図
【図４】同実施例によって溶融球が形成され飛翔するまでの動作説明図
【図５】本発明の他の実施例による細孔部の概念を示す構成図
【図６】本発明の他の実施例による細孔部の概念を示す構成図
【符号の説明】
１０    転移装置本体
１１    細孔
１２    ガス供給管
２０    線材
３０    供給部
４０    電極
６０    ガイド管
７０    コイル
【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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