JP2019502554A - 非接触操作装置、組み立て方法、および３ｄ印刷 - Google Patents

Abstract

材料および電子部品のような部品の非接触操作のための装置が、材料および／または部品供給装置と、音響トランスデューサアレイと、少なくとも１つの材料および／または部品接合（溶融、固化、溶接）装置と、そこで物体が形成されるベースと、実行可能なプログラムを有する演算部とを含む。このプログラムは、粒子の操作に必要な音響場を発生する音響トランスデューサを制御するために使用される。この制御プログラムは、材料粒子または部品の位置を推定し、操作の精度を改善すべく、フィードバック装置から来る信号を受信および処理することができる。

Description

本発明は、３Ｄ印刷に関し、特に、音響場に基づいた材料および部品の非接触操作を用いた印刷に関する。

プラスチック、ガラス、または金属部品、電子部品もしくは集積電子回路は、概して、自動組立ラインまたは３次元プリンタのような様々な形成装置を使用して、個別に製造される。続いてこれらの部品は、手動で、または自動的に、最終製品へと組み立てられる。これらの製品のそのような組み立ては個別の製造および組み立て設備を必要とし、組み立て処理は追加の製造時間を必要とする。これは、より高い製造コストをもたらす。微視的および巨視的なスケールの両方において、接触式の組み立ては、機械的に複雑な処理である。小さな部品のための接触式組み立て技術は、多くの場合、グリッパからの物体の解放を防止する電場力によって制限される。様々な物理的特徴（形状、弾性、など）の材料を操作することは、自動化された機械にとっては複雑である。上記の欠点は、非接触操作方法および装置を使用することで回避できる。３次元音響操作技術の１つの用途は、音響浮揚を使用して、３次元空間において小型の物体を位置決めすることである。音響場パラメータを変更することにより、気体媒質および液体媒質の両方および両者の組み合わせにおいて、物体が、ある１つの位置から別の位置へと移送され得る。音響浮揚は、より広い範囲の材料を扱うように適合されることができ、接触式組み立て技術と比べて、より大きな動作速度および高い空間分解能を有する。

米国特許第４，６３７，１３４号明細書に開示される、プリント回路基板上の予め定められた位置に電子部品を挿入するための装置のような、電子部品を組み立てるためのロボット装置が数多く知られている。しかしながら、この装置は、他の装置によって製造された別の製品に電子部品を挿入するための接触式マニュピュレータとして動作する。

多数の超音波トランスデューサから形成される、互いに向き合った２つから４つの平面を含む装置を使用して、気体媒質中の粒子を３次元に操作する方法が知られている（Ｙｏｉｃｈｉ Ｏｃｈｉａｉ、Ｔａｋａｙｕｋｉ Ｈｏｓｈｉ、Ｊｕｎ Ｒｅｋｉｍｏｔｏ、「Ｐｉｘｉｅ ｄｕｓｔ： ｇｒａｐｈｉｃｓ ｇｅｎｅｒａｔｅｄ ｂｙ ｌｅｖｉｔａｔｅｄ ａｎｄ ａｎｉｍａｔｅｄ ｏｂｊｅｃｔｓ ｉｎ ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ ａｃｏｕｓｔｉｃ−ｐｏｔｅｎｔｉａｌ ｆｉｅｌｄ」 ＡＣＭ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｇｒａｐｈｉｃｓ （ＴＯＧ） − Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ＡＣＭ ＳＩＧＧＲＡＰＨ ２０１４ ＴＯＧ， Ｖｏｌｕｍｅ ３３ Ｉｓｓｕｅ ４， Ｊｕｌｙ ２０１４）。各超音波トランスデューサが個別に動作され、これにより、特定の軌道中のいくつかの物体を同時に扱うことが可能となる。物体の浮揚は、予め定められたクラスタを形成するように制御され得る。しかしながら、この方法および装置は、３次元製品を製造および組み立てるために意図されてはいない。

米国特許第５，５００，４９３号明細書は、物体の正確で安定した空間位置を維持すべく、複数のセンサからのフィードバックを伴う音響浮揚装置を開示する。しかしながら、この装置は、３次元製品の製造および組み立てのために３次元空間で部品または材料を移送するのには適さない。

最も近い従来技術は、米国特許第６，７６６，６９１号明細書に開示されていると考えられる。この特許は、光音響鋳造を使用して粒子または粒子クラスタを位置決めするための方法および装置を開示する。粒子または粒子クラスタの周りに配置された音響トランスデューサおよび反射器を使用して、定常波が発生され、粒子が空中に浮遊される。これらの定常波は、粒子表面に作用することによって、粒子クラスタの形状を変える。浮遊された粒子クラスタを溶融させて固体の物体を形成するために加熱ビームが使用される。この方法の欠点の１つは、複数の部品を接合する可能性、および／または製品を製造する可能性の欠如である。

本発明は、材料および／または部品の非接触音響操作を使用して、様々な材料および／または部品から製品を製造するために設計されている。

材料および電子部品のような部品の非接触操作のための装置が、材料および／または部品供給装置と、音響トランスデューサアレイと、少なくとも１つの材料および／または部品接合（溶融、固化、または溶接）装置と、そこに物体が形成されるベースと、任意でフィードバック信号発生装置と、実行可能なプログラムを格納するデジタルデータ媒体を有する通常のデスクトップコンピュータのような演算部とを含む。演算部は、フィードバック装置からの信号を受信および処理し、例えば、空間中の特定の点に音響エネルギーの焦点を合わせて所望の音響場を発生させるように音響トランスデューサを制御する。

トランスデューサアレイが互いに対向して配置される場合、上部および底部のアレイに配置されたトランスデューサから放出される波の干渉により、最大および最小（ノード）点を有する音響場が焦点領域に生成される（図１）。空中で音響操作が実行されると、操作された物体がノードにおいて浮遊される。焦点位置は、トランスデューサの駆動位相および振幅を変更することによって変えられ得る。それ故、浮遊される物体を空間中の所望の位置へ移動させることができる。

本発明のその他の特徴および利点が、以下の図面を参照して、本発明の詳細な説明に説明される。
非接触印刷装置の概略図を示す。 非接触印刷装置の複数の部品間の動作関係を示す。 実施形態の図面を参照して本発明の詳細な説明を提供する前に、これらの図面の全てにおいて、同一の要素は同じ番号によって示されていることを指摘しておく。

本発明の実施形態の完全で分かりやすい説明を提供すべく、数多くの具体的な詳細が提示されることが理解されるべきである。しかしながら、当業者は、これらの実施形態例が、これらの具体的な指示がなくとも実施され得る本発明の適用を限定するものではないことを理解するであろう。よく知られた方法、手順、および部品は、実施形態が誤解を招かないように、詳細には説明されていない。さらに、この説明は、与えられた実施形態例に本発明を制約するものと考えられるべきではなく、本発明の可能な実施の単なる１つとして考えられるべきである。

材料および／または電子部品のような部品の非接触操作のための装置（１０）が、材料および／または部品（３）が音響場（４）によって捕捉され得る装置（１０）内の領域に材料および／または部品を供給する材料（液体、固体、または中間状態）および／または部品（３）の供給装置（５）と、少なくとも一平面に配置された音響トランスデューサ（１）アレイであって、音響トランスデューサ（１）取り付けベース（２）領域のほとんどをカバーするように配置された音響トランスデューサ（１）を含む音響トランスデューサ（１）アレイと、レーザまたはその他の電磁放射線放出装置のような大量の集中したエネルギーを供給する少なくとも１つの材料および／または部品接合（溶融、固化、または溶接）装置（６）と、そこに物体（７）が形成されるベース（８）であって、形成の間、物体（７）が適切な位置に保たれ、音響場から引き出され得るように移動され得るベース（８）とを含む。装置（１０）はまた、移送される材料、部品、および他の物体の位置を決定し、それ故に、それらの正確な移送および位置決めを保証するためであって、例えばカメラであるフィードバック装置（９）と、フィードバック装置（９）からの信号を受信および処理し、音響トランスデューサ（１）を制御することによって装置（１０）内の音響場（４）を制御すべく演算部（１１）によって実行される制御プログラムを格納するデジタルデータ格納媒体を含む、従来のデスクトップコンピュータのような演算部（１１）とを有してよい。装置制御のためのデータは、一般的なコンピュータデータ入力を介して手動で入力されてよい。または、装置（１０）によって複製されるであろう物体（１２）をスキャンする装置から受信されてよい。

音響操作方法のうちの１つは、空間中の所望の点にトランスデューサ（１）のアレイの焦点を合わせることに基づいている。空間中のこの点における音響場振幅は、トランスデューサアレイ中の各音響トランスデューサから発信される音響波の重ね合わせとして、（トランスデューサを点源として近似した）以下の式を使用して表すことができる。

ここで、Ａ_ｉは、トランスデューサによってトランスデューサの極めて近くに発生される音響場の振幅である。また、ｒ_ｉはトランスデューサｉから空間中の位置ｒまでの距離であり、φ_ｉはトランスデューサの相対駆動位相であり、ｋは媒質内の波数ベクトルであり、Ｐは音響場の振幅であり、ｒは空間中の位置である。トランスデューサ駆動位相φ_ｉは、空間中の所望の位置ｒにおいて音響場振幅Ｐ（ｒ）が最大となるように選択される。トランスデューサアレイは互いに対向して配置されて、上部および底部取り付けベース（２）にそれぞれ取り付けられている上部および底部アレイ（図１）に配置されたトランスデューサから伝わる波の間の干渉により、焦点ゾーンにおいて最大および最小（ノード）点を有する音響場を生成する。音響操作が空中で実行されると、液体、金属、プラスチックなどのような最も頻繁に見られる物質から形成された操作される物体が、これらのノードにおいて浮遊される。トランスデューサ（１）の駆動位相を変更することにより、それに応じて焦点位置が変えられ、浮遊された物体を空間中の所望の位置へ移動させることができる。これは音響操作に対する可能な方法の単なる１つにすぎず、様々なトランスデューサの構成および様々なトランスデューサ駆動パラメータが使用され得ることは注目に値する。位相だけでなく、振幅および／または周波数もまた、媒質中での物体の浮遊および操作に適した様々な音響場を生成するために制御され得る。

材料および／または電子部品のような部品の非接触操作のための方法が、物体（７）の形成に必要な液体、固体、またはアモルファスであり得る材料（３）を導入および浮遊させる段階であって、この材料は、装置（１０）内に発生される音響場（４）へと供給装置（５）を使用して供給される、導入および浮遊させる段階と、それに続く、音響場（４）を使用した、所望の位置への材料または部品（３）の非接触移送の段階と、材料および／または部品を電磁放射線へと露出することによる溶融、固化、または溶接によって、この材料および／または部品を、固定または可動ベース（８）上で形成されている物体に付着させる段階とを含む。印刷されている物体に対して材料および／または部品を溶融、固化、または溶接によって接合する処理は、特定のタスクに適合するように順序付けられ、組み合わされ得る。これにより、例えば、液体材料が移送され、印刷される物体の表面において紫外放射線を使用して固化される。または、印刷されている物体へと電子部品が移送され、レーザビームを使用してその物体に溶接される。または、固体材料が超音波場に供給され、溶融され、印刷されている物体へと液体状態で移送され、その物体の表面において固化するまで放置される。

物体（７）の形成の間、この可動ベース（８）は少なくとも１つの方向に移動されることができ、例えば、次の層が印刷され得るように、印刷される層が音響場から引き出される。従って、物体全体ではなく、形成されている一部分のみが音響トランスデューサ（１）のアレイの間に配置されるであろうから、装置（１０）は、形成されている物体（７）よりも小さな寸法を有することができる。

電子部品（３）のようなその他の要素が、少なくとも１つの供給装置（５）によって、装置（１０）に供給され得る。そのような電子部品（３）は、制御された音響場（４）を使用して、その部品（３）が付着されるべき位置へと装置（１０）内を移送され得る。同じ材料または異なる材料の１または複数の部品（３）が同時に移送され得る。いくつかの部品を同時に付着させることもまた可能であり、それ故、印刷処理をスピードアップさせる。

音響トランスデューサ（１）アレイは、演算部のデジタルデータ格納媒体に格納されている制御プログラムを使用して、演算部によって制御される。各音響トランスデューサ（１）へと送信される駆動信号が、移送されている材料または部品のパラメータおよび装置（１０）内での自身の位置に従って調整され（位相、振幅、周波数）得るように、このプログラムは実行される。別個の経路を介して同時にまたは逐次的に装置（１０）によって移送され得る材料（３）および部品（３）の正確な移送、並びに、溶融、固化、および接合の間の正確な操作を保証すべく、フィードバック信号は、移送される材料（３）および部品（３）の音響トランスデューサアレイ間での正確な位置を決定するために使用される少なくとも１つの信号発生装置（９）から形成され得る。

「音響」という用語は、可聴周波数範囲の波、超音波、および、任意の他の弾性波を定義する。

最も近い従来技術に対する本発明の利点は、印刷用にいくつかの種類の材料を使用する能力、印刷要素がＳＭＴ部品であり得ること、様々な材料および部品の組み合わせが可能な混合印刷、様々な接合方法が可能であること、非接触操作が高温での材料の溶融を可能にすることなどである。この説明は、本発明の多くの特徴および利点を列挙し、構造上の詳細および特徴を提供してきたものの、この説明は、本発明の単なる実施例として与えられるものである。本発明の原理から逸脱することなく、特許請求の範囲において使用される用語の最も一般的な理解に従って、装置の部品、それらのサイズおよびレイアウトを変えてよい。

Claims (7)

1. 音響トランスデューサおよび前記音響トランスデューサを使用して演算部により制御される音響場と、
   材料および部品の少なくとも一方を供給するための少なくとも１つの装置と、
   そこに物体を形成するためのベースと、
   接合、溶融、固化、および溶接するための少なくとも１つの装置と、
   を備え、
   音響操作の経路全体が、前記材料および部品の少なくとも一方を供給するための前記少なくとも１つの装置から、そこに前記物体を形成するための前記ベースまで実質的に広がり、
   前記音響操作は、浮遊、捕捉、予め定められた軌道に従った方向付けおよび移動のうちの任意のもの、またはそれらの任意の組み合わせを含む、非接触音響操作装置。
2. 前記材料および部品の少なくとも一方を供給するための前記少なくとも１つの装置は、液体、固体、または中間状態の材料のための供給装置である、請求項１に記載の非接触音響操作装置。
3. 前記材料および部品の少なくとも一方を接合、溶融、固化、または溶接するための前記少なくとも１つの装置は、レーザまたはその他の電磁放射線放出装置である、請求項１または請求項２に記載の非接触音響操作装置。
4. フィードバック信号を発生するための少なくとも１つのフィードバック装置をさらに備える、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の非接触音響操作装置。
5. 前記演算部のデジタルデータ格納媒体が、前記少なくとも１つのフィードバック装置からの信号を受信および処理し、前記音響場を制御するための実行可能な制御プログラムを含む、請求項４に記載の非接触音響操作装置。
6. 非接触操作を使用して製品を組み立てるための方法であって、
   少なくとも１つの供給装置により、少なくとも１つの材料および少なくとも１つの部品の少なくとも一方を、非接触操作装置内で形成された音響場へ同時にまたは逐次的に供給する段階と、
   音響場を使用して、前記材料および前記部品の少なくとも一方を非接触移送する段階と、
   前記材料および部品の少なくとも一方を溶融、固化、または溶接するために、集中したエネルギーまたはその他の電磁放射線を前記材料および部品の少なくとも一方に適用する段階と、
   ベースにおいて固体の物体を形成する段階と、
   を備える方法。
7. 少なくとも１つの音響トランスデューサアレイが、演算部のデジタルデータ格納媒体に格納され前記演算部により実行される制御プログラムを実行可能な前記演算部によって、少なくとも１つのフィードバック装置から受信されるデータを考慮して制御される、請求項６に記載の方法。

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