JP2013533389A

JP2013533389A - レーザー金属蒸着装置を用いて抵抗粉末を融着ヒーター素子に変換させることを含む方法

Info

Publication number: JP2013533389A
Application number: JP2013521885A
Authority: JP
Inventors: エッセル，ブライアン; クナップ，ジョン
Original assignee: Husky Injection Molding Systems Ltd
Current assignee: Husky Injection Molding Systems Ltd
Priority date: 2010-07-27
Filing date: 2011-07-26
Publication date: 2013-08-22
Also published as: WO2012015772A1; EP2598668A1; CN102892917A; CA2803277A1; US20130042465A1

Abstract

抵抗粉末１０６を電気絶縁性部材１０２に転移させることを含む転移操作２０４と、レーザー金属蒸着装置１１０を用いて、抵抗粉末１０６の少なくとも幾らかを融着ヒーター素子１０８に変換させることを含む変換操作２０６であって、融着ヒーター素子１０８は電気絶縁性部材１０２に融着される、変換操作とを含む、方法２００。
【選択図】図１

Description

本発明の態様は、包括的には、レーザー金属蒸着装置を用いることによって抵抗粉末を融着ヒーター素子に変換させることを含む（がこれに限定されない）方法に関する（がこれに限定されない）。

最初の人工プラスチック（合成樹脂）は、アレクサンダー・パークス（Alexander PARKES）によって１８５１年に英国で発明された。パークスは、１８６２年ロンドン万国博覧会においてその物質をパークシン（Parkesine）と呼んで公表した。パークシンはセルロースに由来しており、加熱され、成形され、かつ冷却時にその形状を保つことができた。しかしながら、パークシンは、生産コストが高く、クラッキングし易く、また引火性が高いものであった。１８６８年、アメリカ人発明者のジョン・ウェズリー・ハイアット（John Wesley HYATT）が、パークスの発明を改良して、彼がセルロイドと名付けたプラスチック材料を開発し、その結果、このプラスチック材料を加工処理して完成形態にすることができた。ハイアットは、１８７２年、最初の射出成形機に関する特許を取得した。この射出成形機は、プランジャーを用いてプラスチックを加熱されたシリンダーを通じて金型内へ射出する、大きい皮下注射針のように機能するものであった。第２次世界大戦が廉価な大量生産品への大きな需要を生み出したため、この産業は１９４０年代に急速に拡大した。１９４６年、アメリカ人発明者のジェームス・ワトソン・ヘンドリー（James Watson HENDRY）が、最初のスクリュー式射出成形機を作り上げた。この成形機によって、射出前に材料を混合することも可能になったため、射出前に色つきプラスチック又は再生プラスチックを未使用材料に加えて完全に混合することができるようになった。１９７０年代、ヘンドリーは続いて、最初のガスアシスト射出成形プロセスを開発した。

射出成形機は、材料ホッパーと、射出ラム又はねじ型プランジャーと、加熱ユニットととからなる。それらの射出成形機はプレス機としても知られており、構成要素が成形される金型を保持する。プレス機は、自身が加えることができるクランプ力の大きさを表すトン数によって定格される。この力によって、射出プロセス中に金型は閉じたままとなる。トン数は、５トン未満〜６０００トンで変動することができ、より高い桁数のトンが比較的少数の製造工程において用いられる。必要とされる総クランプ力は、成形される部分の投影面積によって求められる。この投影面積は、投影面積平方インチごとに２トン〜８トンのクランプ力によって乗算される。大まかには、大抵の製品に対して、平方インチ当たり４トン又は５トンを使用することができる。

プラスチック材料は、非常に硬い場合、金型に充填するためにより多くの射出圧力を、したがって、金型を閉じたままに保持するためにより大きいクランプトン数を必要とする。必要とされる力はまた、用いられる材料とその部分のサイズとによっても決まる可能性があり、より大きな部分はより高いクランプ力を必要とする。射出成形を用いて、粒状のプラスチックを重力によってホッパーから加熱されたバレル内に給送する。この粒状のプラスチックがねじ型プランジャーによって前方にゆっくりと移動されると、このプラスチックは、加熱されたチャンバー内に押し込められて、このチャンバーにおいて融解される。プランジャーが前進するにつれて、融解されたプラスチックは、金型に当接するノズルに押し通されて、ゲートランナーシステムを通じて金型キャビティに入ることが可能となる。金型は冷たいままであるため、プラスチックは、金型が充填されるとほぼ同時に固化する。金型アセンブリ又は金型ダイは、成形においてプラスチック部品を作製するのに用いられる装置又は工具を説明するために使用される用語である。金型アセンブリは、何千もの部品が生産される大量生産において使用される。金型は通常、硬化鋼等から構成される。ホットランナーシステムは、金型アセンブリとともに、プラスチック製品の製造のために成形システムにおいて用いられる。通例、ホットランナーシステム及び金型アセンブリは、成形システムとは別個に販売及び供給することができる装置又は工具として扱われている。

特許文献１は、例えば、電子ビームが集積回路又は他の半導体素子上にフォトレジストのパターンを「書き込む」直接書き込み技法を開示している。これらの従来の直接書き込み技法のうちの幾つかはまた、レーザービームの使用を含む。そのようなレーザーアシスト蒸着技法は、有機金属ガスからの金属、又はシラン（ＳｉＨ_４）からのポリシリコンの蒸着を伴う。

特許文献２は、対象の材料を受容基板上に蒸着する装置及び方法を開示しており、該装置は、第１のレーザー及び第２のレーザーと、受容基板と、ターゲット基板とを備える。ターゲット基板は、後面と前面とを有するレーザー透過性支持体を備える。前面は、対象の材料に変化することができる材料であるソース材料を含むコーティングを有する。レーザービームがターゲット基板の後面とレーザー透過性支持体とを通じて方向付けられて、十分なエネルギーでコーティングの所定の位置に衝突して、ソース材料を支持体の前面から取り除くように、第１のレーザーをターゲット基板に対して位置決めすることができる。ソース材料が受容基板の所定の位置に蒸着されるように、受容基板をターゲット基板に対して離間して位置決めすることができる。次いで、第２のレーザーが、蒸着されたソース材料に衝突してソース材料を対象の材料に変化させるように、位置決めされる。

ＵＶレーザービームを用いて最初にコーティングをターゲット基板から受容基板に転移させ、次いで転移された材料を第２のＩＲレーザービームを用いて後処理することによって、導電性の銀線が製造された。ターゲット基板は、片面が転移される材料の層でコーティングされたＵＶグレード溶融石英のディスクから構成された。この層はＡｇ粉末（数ミクロンの粒径）と、低温（２００℃未満）で導電種（複数の場合もある）に分解する有機金属前駆体とから構成された。受容基板は、数ミクロンの厚さである種々の金電極パッドを有するマイクロ波品質回路基板であった。２５ミクロンの厚さのスペーサーが、ターゲット基板と受容基板とを分離するのに用いられた。

銀は最初に、集束ＵＶ（λ＝２４８ｎｍ、又はλ＝３５５ｎｍ）レーザービームによって２２５ｍＪ／ｃｍ２の焦点フルエンスでターゲット基板を通じて転移された。焦点におけるスポットサイズは、直径が４０μｍであった。レーザービームを固定したまま、レーザーショットごとにターゲット基板の新たなエリアを露出するようにターゲット基板及び受容基板の双方をともに並進させることによって、「ドット」のラインが２つの金の導体パッド間に製造された。レーザースポット間の間隔は、概ね１スポット径であった。１つのパスは概ね２５個のドットから構成され、合計１０個の（互いに対して重ね合わせられた）パスが作られた。ターゲット基板は各パス間に移動された。転移後、オーム計によって測定された金パッド間の抵抗は莫大なものであった（２０メガオーム〜３０メガオームよりも大きかった）。

特許文献３は、導電体に変化する前駆体材料又は前駆体材料及び無機粉末の混合物を蒸着することによって導電材料の被覆を形成するのに有用である装置及び方法を開示している。導体線等のための金属の被覆を形成するには、化学蒸着（ＣＶＤ）及びレーザー誘起化学蒸着（ＬＣＶＤ）において一般的に用いられているあらゆる前駆体を使用することができる。例としては、金属アルコキシド、金属ジケトナート及び金属カルボン酸塩を含むがこれに限定されない。

特許文献４は、基板上への材料の蒸着、例えば、半導体基板上への金属又は誘電体の蒸着のためのプロセスを開示しており、その材料は、その材料のコロイド懸濁液を準備することと、この懸濁液を基板表面上にインクジェットプリント技法によって直接書き込むこととによって蒸着される。この手順は、蒸着プロセス中の基板の処理要件を最小限にし、また蒸着される材料と基板との間の界面でのエネルギーの交換も最小限に抑える。次いで蒸着された材料を、好ましくは被覆をレーザーアニールステップにさらすことによって、所望のパターンに分解する。レーザーアニールステップは、基板の全体的な熱負荷を最小限に抑えるとともに基板と被覆との間の界面化学及び相互拡散の精密な制御を可能にしながら、結果として得られたパターンの高分解能を提供する。

米国特許第４８９７１５０号米国特許第７００１４６７号米国特許第７０１４８８５号米国特許第５１３２２４８号

本発明者らは、粗悪品質の成形品又は成形部品を意図せずに製造する既知の成形システムに関連付けられる問題を研究してきた。多くの調査の後、本発明者らは、以下に述べる問題及びその解決策の理解に達したと確信し、またこの理解は公に知られていないと確信している。

現在のヒーター構造は、典型的には、種々の形態のニクロム線素子（ニッケルクロム抵抗線）の実装（パッケージング）を伴う。より高度な方法は、高い焼成温度及び／又は構成ごとにカスタマイズされたスクリーンを必要とするスクリーン印刷技法を用いることができる。他の既知の方法は、所望の加熱素子を作製するために、層状の熱スプレー塗布とその層の部分の選択的除去とに依拠することができる。例えば、更なる既知の方法は、特殊なマスクを用いて所望のヒーター構成及びヒーターパターンを作る熱スプレー技法に依拠することができる。更に他の既知の方法は、溶媒又は他の液体中に懸濁した抵抗媒体を有するインクジェット式プリントヘッドを利用して、パターニングされたヒーターを基板上に直接書き込むことができる。

一態様によれば、抵抗粉末（１０６）を電気絶縁性要素（１０２）に転移させることを含む転移操作（２０４）と、レーザー金属蒸着装置（１１０）を用いることによって、前記抵抗粉末（１０６）の少なくとも幾らかを融着ヒーター素子（１０８）に変換させることを含む変換操作（２０６）であって、前記融着ヒーター素子（１０８）は前記電気絶縁性部材（１０２）に融着される、変換操作と、を含む、方法（プロセス２００）が提供される。

ここで、非限定的な実施形態の他の態様及び特徴が、添付の図面とともに非限定的な実施形態の以下の詳細な説明を検討すれば当業者には明らかになるであろう。

非限定的な実施形態は、非限定的な実施形態の以下の詳細な説明を添付の図面と併せて参照することによってより完全に理解されるであろう。

レーザー金属蒸着装置１１０の概略図である。図１のレーザー金属蒸着装置１１０の別の概略図である。図１又は図２のレーザー金属蒸着装置１１０を用いるプロセス２００の概略図である。

図面は、必ずしも一定の縮尺ではなく、想像線、図表示及び部分図によって示すことができる。特定の例では、実施形態の理解のために必ずしも必要ではない細部（及び／又は他の細部を認識困難にする細部）を省略することができる。

図１は、レーザー金属蒸着装置１１０の概略図を示す。金型システム、ホットランナーシステム及び成形システムは、当業者に既知である構成要素を少なくとも部分的に含むことができ、これらの既知の構成要素は本明細書においては説明されない。これらの既知の構成要素は少なくとも部分的に、（例として）以下の参考文献において記載されている。：（ｉ）OSSWALD／TURNG／GRAMANN著「Injection Molding Handbook（射出成形ハンドブック）」（ＩＳＢＮ：３−４４６−２１６６９―２）、（ｉｉ）ROSATO及びROSATO著「Injection Molding Handbook（射出成形ハンドブック）」（ＩＳＢＮ：０−４１２−９９３８１―３）、（ｉｉｉ）JOHANNABER著「Injection Molding Systems（射出成形システム）」第３版（ＩＳＢＮ：３−４４６−１７７３３―７）、及び／又は（ｉｖ）BEAUMONT著「Runner and Gating Design Handbook（ランナーとゲートの設計ハンドブック）（ＩＳＢＮ：１−４４６−２２６７２―９）。本明細書に関して、「含む（但し、これに限定されない）（includes (but not limited to)）」という句は、「備える、含む（comprising）」という語と等しいことが理解されるであろう。「備える、含む」という語は、特許請求項のプリアンブルと、発明自体が実際に何であるかを規定する特許請求項に記載される特定の要素とを関連付ける移行句又は移行語である。移行句は、特許請求項を限定するものとして機能し、被疑侵害装置等が当該特許におけるその請求項よりも多いか又は少ない要素を含んでいる場合は、類似の装置、方法又は構成部分がその特許を侵害するか否かを示す。「備える、含む」という語は、請求項において特定されている要素がどんなものであってもそれにプリアンブルを限定しないため、最も広範な移行形態である開放的な移行句（open transition）として扱われるものである。

電気絶縁性要素又は部材１０２が基板１０４上に配置されている。抵抗粉末１０６が電気絶縁性部材１０２上に位置している。抵抗粉末１０６の少なくとも幾らかが、レーザー金属蒸着装置１１０を用いることによって融着ヒーター素子１０８に変換される。融着ヒーター素子１０８は、電気絶縁性部材１０２に融着する。電気絶縁性部材１０２は、絶縁材の層を含むことができる。基板１０４は、例えば基板材料の層を含むことができる。

電気絶縁性部材１０２の例は、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、ジルコニア、マイカ、ダイヤモンド等を含むことができる。基板１０４の例は、炭素鋼、工具鋼、ステンレス鋼、銅及び銅基合金、アルミニウム、チタニウム、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、炭化ケイ素、又は他の金属材料若しくはセラミック材料を含むことができる。抵抗粉末１０６の例は、ニッケルクロム（ニクロムとしても知られている）、導電性セラミック、タングステン等を含むことができる。

第１の態様によれば、抵抗粉末１０６を電気絶縁性部材１０２上に位置付けることは、抵抗粉末１０６を電気絶縁性部材１０２上に噴霧するフィーダーノズル１１２を用いることを含む（がこれに限定されない）。

図２は、図１のレーザー金属蒸着装置１１０の別の概略図を示す。第２の態様によれば、抵抗粉末１０６を電気絶縁性部材１０２上に位置付けることは、電気絶縁性部材１０２上に層として抵抗粉末１０６を蒸着することを含む（がこれに限定されない）。

図３は、図１又は図２のレーザー金属蒸着装置１１０を用いるプロセス２００の概略図を示す。プロセス２００は、（ｉ）固定操作（２０２）と、（ｉｉ）転移操作（２０４）と、（ｉｉｉ）変換操作（２０６）とを含む（がこれに限定されない）。固定操作（２０２）は、電気絶縁性部材１０２を基板１０４上に固定することを含む（がこれに限定されない）。転移操作（２０４）は、抵抗粉末１０６を電気絶縁性部材１０２に転移させることを含む（がこれに限定されない）。変換操作（２０６）は、レーザー金属蒸着装置１１０を用いることによって抵抗粉末１０６の少なくとも幾らかを、融着ヒーター素子１０８に変換させることを含む（がこれに限定されない）。次いで、融着ヒーター素子１０８は、電気絶縁性部材１０２に融着される。

レーザー金属蒸着装置１１０を用いて、単一の書き込みステップで、カスタマイズされたヒータープロファイル（ワット数及びワット分布）を作るすなわち形成することができることが理解されるであろう。ヒーター素子を直接書き込むこと、すなわち変換操作（２０６）を用いることによって、コストを削減することができ、融着ヒーター素子１０８を作製するのに必要とされる工程の数も削減される。加えて、レーザー金属蒸着装置１１０のレーザーヘッドを連結する（articulate）ことができることによって、起伏のある表面及び／又は複雑形状の表面上への融着ヒーター素子１０８の積層が可能になる。

レーザー金属蒸着装置１１０は、レーザーエネルギー源を用いて、抵抗粉末１０６を、酸化マグネシウム、酸化アルミニウム、又はダイヤモンド系材料とを含むセラミック等の電気絶縁性部材１０２上に融着させる。幾つかの方法を用いて抵抗粉末１０６を電気絶縁性部材１０２上に位置決めすることができる。抵抗粉末１０６を、（ｉ）（図１に示されているように）圧縮ガスを用いてレーザービームに送り込むことができ、又は（ｉｉ）（図２に示されているように）所定の厚さまで表面全体に広げるとともに、レーザービーム経路を用いて基板１０４に選択的に融着させて素子構成を画定することができる。レーザービームの更なるパスを用いて、融着ヒーター素子１０８の熱的特性及び電気的特性の制御における適応性の増大に対して所望されるようにより厚い層を作ることができる。融着ヒーター素子１０８のための所望の幾何学形状及び構成を達成するために、レーザーヘッドが動く（すなわちミラーを介して誘導される）ことができ、又は基板１０４を動かすことができ、又はレーザーヘッド及び基板の双方を動かすこともできる。

本発明の一態様（又は一例）によれば、レーザー金属蒸着（ＬＭＤ）を用いて基板１０４上に、輪郭形成された（profiled）加熱素子を単一のステップで作製するプロセスを提供し、このプロセスにおいて粉末が、基板１０４の表面に集束されるレーザービームに注ぎ込まれる。この粉末は、レーザービームが集束される領域においてのみ、局所的なレーザーエネルギーによって基板１０４に融着される。微量の正確な材料を塗布してヒーター素子痕跡を直接形成することによって、蒸着された材料のマスキング又は選択的除去のいずれも必要とすることなく１つの直接書き込みステップで、カスタマイズされたヒーターを（セラミック材料、絶縁基板等のような）基板１０４上に積層することができる。この構成によって、他の既知の方法を用いた場合よりも低いコスト及び少ない工程でカスタマイズされたヒーター素子の形成が可能になる。

本発明の範囲は独立請求項によって与えられる範囲に限定されることが理解され、また、本発明の範囲が（ｉ）従属請求項、（ｉｉ）非限定的な実施形態の詳細な説明、（ｉｉｉ）概要、（ｉｖ）要約書、及び／又は（ｖ）本特許出願以外（すなわち、出願時、審査時及び／又は付与時の本出願以外）において与えられる説明に限定されないことが理解される。本特許出願に関して、「含む（但し、これに限定されない）」という句は「備える、含む」という語に等しいことが理解される。「備える、含む」という語は、特許請求項のプリアンブルと、発明自体が実際に何であるかを規定する特許請求項に記載されている特定の要素とを関連付ける移行句又は移行語である。移行句は、特許請求項を限定するものとして機能し、被疑侵害装置（等）が特許のその請求項よりも多いか又は少ない要素を含んでいる場合は、類似の装置、方法又は構成部分がその特許を侵害しているか否かを示す。「備える、含む」という語は、請求項において特定されている要素がどんなものであってもそれにプリアンブルを限定しないため、最も広範な移行形態である開放的な移行句として扱われる。上記の記載は、非限定的な実施形態を概説していることに留意されたい。したがって、この説明は特定の非限定的な実施形態についてなされたものであるが、本発明の範囲は他の構成及び用途に適しているとともに適用可能である。独立請求項の範囲から逸脱することなく、非限定的な実施形態に対する変更を行うことができる。非限定的な実施形態は、例示に過ぎないことが理解される。

Claims

抵抗粉末（１０６）を電気絶縁性部材（１０２）に転移させることを含む転移操作（２０４）と、
レーザー金属蒸着装置（１１０）を用いて、前記抵抗粉末（１０６）の少なくとも幾らかを融着ヒーター素子（１０８）に変換させることを含む変換操作（２０６）であって、前記融着ヒーター素子（１０８）は前記電気絶縁性部材（１０２）に融着される、変換操作と、を含む、方法（２００）。
前記電気絶縁性部材（１０２）を基板（１０４）上に固定することを含む固定操作（２０２）を更に含む、請求項１に記載の方法。
前記転移操作（２０４）は、フィーダーノズル（１１２）を用いて前記抵抗粉末（１０６）を前記電気絶縁性部材（１０２）上に噴霧することを更に含む、請求項１に記載の方法。
前記転移操作（２０４）は、前記電気絶縁性部材（１０２）上に前記抵抗粉末（１０６）を層状に蒸着することを更に含む、請求項１に記載の方法。