JP2021154698A - 配線印刷ヘッド及び配線印刷装置 - Google Patents

Abstract

【課題】リブ構造等の複雑な立体形状を含むワークの表面に配線パターンを形成できる配線印刷ヘッド及び配線印刷装置を提供する。【解決手段】ワーク１００の表面に配線パターン１０３を形成する配線印刷ヘッド１２及び配線印刷装置１０は、液状の絶縁材料を吐出して絶縁層５２を形成する絶縁材吐出部２０と、絶縁層５２の上に導電性粒子を含む配線インクを吐出して配線インク層５４を形成する配線インク吐出部２２と、配線インク層５４の揮発成分を減少させる乾燥機構２４と、配線インク層５４を焼成して配線パターン１０３を形成する焼成機構２６と、を備える。【選択図】図４

Description

本発明は、配線印刷用インクの液滴を対象物に塗布して配線パターンを形成する配線印刷ヘッド及び配線印刷装置に関する。

近年、複雑な配線パターンを、マスクキング等を用いずに迅速に形成する方法として、配線を対象物に直接印刷する技術が提案されている。このような対象物の表面に配線を直接印刷する技術として、例えば、配線インクの液滴を対象物に吐出させて塗布するインクジェット方式の配線印刷技術が知られている（特許文献１）。

特開２００８−１６８２１６号公報

しかしながら、従来のインクジェット方式は、比較的凹凸が少ない平板を対象とするものであり、リブ構造や段差等の複雑な立体形状を含むワークの表面に配線パターンを形成しようとすると、厚みのむらや断線等による欠陥が生じるという問題がある。

本発明は、リブ構造等の複雑な立体形状を含むワークの表面に配線パターンを形成できる配線印刷ヘッド及び配線印刷装置を提供することを目的とする。

以下の開示の一観点は、ワークの表面に配線パターンを形成する配線印刷ヘッドであって、液状の絶縁材料を吐出して絶縁層を形成する絶縁材吐出部と、前記絶縁層の上に導電性粒子を含む配線インクを吐出して配線インク層を形成する配線インク吐出部と、前記配線インクの揮発成分を減少させる乾燥機構と、前記配線インクを焼成して配線パターンを形成する焼成機構と、を備えた配線印刷ヘッドにある。

別の一観点は、上記観点の配線印刷ヘッドと、その配線印刷ヘッドを回動させる関節部を備える配線印刷装置にある。

上記観点の配線印刷ヘッド及び配線印刷装置によれば、リブ構造や段差等の複雑な立体形状を含むワークの表面に配線パターンを形成できる。

車両の内装部品の内側に形成された配線の一例を示す斜視図である。 実施形態に係る配線印刷ヘッドの平面図である。 図２の配線印刷ヘッドの正面図である。 図２の配線印刷ヘッドを用いた配線の形成方法を示す断面図である。 図５Ａは、図２の配線印刷ヘッドで形成した配線の断面図であり、図５Ｂは比較例に係る配線の断面図である。 比較例に係る配線印刷ヘッドによる突沸の発生による問題を示す説明図である。 図２の配線印刷ヘッドによるリブ構造への配線の形成の様子示す説明図である。

以下、配線印刷ヘッド及び配線印刷装置について好適な実施形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。

自動車においては、運転を始めとする各種操作の自動化が進み、使用者の価値観が、運転者を中心した操作性の重視から、快適な車室内空間を求める方向に変化しつつある。このような使用者の価値観の変化に伴って、車室内空間のデザインにおいても、シンプルですっきりとしたデザインが望まれる。しかしながら、現在の車両には、シフトレバー、ランプ類、空調機、オーディオ機器、及びパワーウインドウ等の各種操作ボタンが配置されており、これらの機能を確保するために、デザインの自由度に制約が生じている。

快適な車室内空間を求める観点からは、従来のスイッチ類で実現される機能性を失うことなく、高品質ですっきりとした車室内空間を両立することが望まれる。このようなニーズに対応するべく、例えば、ドアの内装パネルや、ダッシュボードパネル等を始めとする内装部品１００の表面に、タッチパネル機能や表示機能を持たせて、インターフェース機能を付与することが考えられる。

車室の内装部品１００の表面にインターフェース機能を持たせる場合には、図１に示すように、内装部品１００の裏面１０１に配線パターン１０３を張り巡らせて、内装部品１００の裏面１０１の広い範囲に圧力センサ、静電容量センサ及び温度センサ等のセンサ類１０２や、発光素子１０４や音響素子１０６等を配置することが求められる。

図１の内装部品１００の裏面１０１側は、補強構造としてリブ構造１０８や、段差１１０が含まれている。裏面１０１の広い範囲にセンサ類１０２等を形成するためには、これらのリブ構造１０８や段差１１０を乗り越えるように配線パターン１０３を形成することが求められる。ところが、リブ構造１０８や段差１１０には、内装部品１００の主面１１２に垂直な側面１１４が有るため、従来のインクジェット方式の配線印刷装置では、配線パターン１０３の形成が困難となっている。

以下では、複雑な内装部品１００（ワーク）の表面に、配線を形成できる配線印刷ヘッド１２及び配線印刷装置１０について説明する。

図２に示すように、本実施形態の配線印刷装置１０は、配線インクを吐出する配線印刷ヘッド１２と、配線印刷ヘッド１２を回動させる関節部１４と、関節部１４を支持する本体部１６とを備えている。

図３に示すように、配線印刷ヘッド１２は、本体部１６（図２参照）によって内装部品１００に対して白抜矢印の方向に進行する。配線印刷ヘッド１２の正面１２ａは、内装部品１００の表面に対向するように配置される面であり、その正面１２ａには、位置センサ１８、絶縁材吐出部２０、配線インク吐出部２２、エア噴射口２４、及び光照射部２６が設けられている。

位置センサ１８は、配線印刷ヘッド１２の進行方向の上流側に配置されている。位置センサ１８は、光センサ、静電容量センサ又は撮像素子で構成されており、内装部品１００と配線印刷ヘッド１２との距離を検出する。位置センサ１８は、センサ配線４８を通じて本体部１６の制御装置３０に接続されている。位置センサ１８は、センサ配線４８を通じて制御装置３０に検出データを送信する。

絶縁材吐出部２０は、位置センサ１８の進行方向下流側に設けられている。絶縁材吐出部２０は、例えば、サーマル式又はピエゾ式のインクジェットヘッドで構成される。絶縁材吐出部２０は、液体状の絶縁材料（絶縁材インク）を加圧してこれを液滴として内装部品１００に向けて吐出する。絶縁材吐出部２０は、内装部品１００の裏側面に、所定幅の線状の絶縁層５２を形成する。絶縁層５２は、内装部品１００と配線との短絡を防ぐ。また、配線インクとの内装部品１００との密着性を向上させて、内装部品１００の裏面１０１で配線インクが撥かれることによる配線パターン１０３の断線発生を阻止する。

図４に示すように、配線インク吐出部２２は、絶縁材吐出部２０の進行方向下流側に設けられている。配線インク吐出部２２は、絶縁層５２の上に導電性粒子を含む配線インクを吐出し、配線インクよりなる層（配線インク層５４）を形成する。配線インク吐出部２２は、例えば、サーマル式又はピエゾ式のインクジェットヘッドで構成され、配線インクを加圧して、これを液滴として絶縁層５２の上に塗布する。塗布された配線インク層５４は、配線印刷ヘッド１２の進行方向に沿って延びた線状にパターンに形成される。配線インク吐出部２２から吐出する配線インクには、例えば銀等の金属粒子とその金属粒子を流動化させるための溶剤が含まれる。

エア噴射口２４（乾燥機構）は、配線インク吐出部２２の進行方向下流側に設けられている。エア噴射口２４は、エアを配線インク層５４及び絶縁層５２にエアを吹き付ける。エア噴射口２４により、配線インク層５４及び絶縁層５２に含まれる溶剤の少なくとも一部又は全部が除去され、配線インク層５４及び絶縁層５２の乾燥が行われる。

なお、エア噴射口２４は、加温機構を含んでいてもよく、加温したエアを配線インク層５４及び絶縁層５２に吹き付けるように構成してもよい。この場合には、配線インク層５４及び絶縁層５２の突沸による断線発生を防ぐために、エア噴射口２４は、配線インク層５４及び絶縁層５２に含まれる溶媒の沸点よりも高い温度に昇温させない程度に加温することが好ましい。

ここでは乾燥機構をエア噴射口２４で構成する例を示したが、本実施形態はこれに限定されるものではない。乾燥機構は、光照射や電磁場印加等により、配線インク層５４及び絶縁層５２に突沸が生じない温度範囲で加熱して溶媒を揮発させる加熱機構で構成してもよい。また、追加の乾燥機構を絶縁材吐出部２０と配線インク吐出部２２との間に設けて、絶縁層５２を別途乾燥させるように構成してもよい。

光照射部２６（焼成機構）は、配線印刷ヘッド１２の正面１２ａにおいて、進行方向の最も後端側に配置されている。光照射部２６は、配線インク層５４が形成された領域に照射領域が絞られた光を照射する光学系を含んでいる。光照射部２６は、例えばレーザ光や、キセノンフラッシュランプ等の光源３８（図２参照）からの光を配線インク層５４に照射することにより、配線インク層５４の焼結を行なう。この焼結により、金属粒子（例えば銀粒子）の界面を結合が進んで、高い導電性を有する配線層５６が形成される。また、焼結の際に、周辺の内装部品１００への照射が抑制されるため、内装部品１００の劣化を防ぐことができる。

光照射部２６の照射光の強度（配線インク層５４の加熱温度）は、金属粒子の融点及びサイズに応じて適宜調節される。低融点の金属程、また粒子サイズが小さくなる程、低い温度で焼結を行える。光照射部２６は、エア噴射口２４によるエアの噴射位置の下流側を照射することで、溶媒の突沸による欠陥を防ぐように構成されている。なお、配線印刷ヘッド１２の正面１２ａにおいて、光照射部２６は、エア噴射口２４等の側部に設けられてもよい。焼成機構を光照射部２６で構成する例について説明したが、焼成機構は光照射部２６に限定されず、電磁誘導により配線インク層５４を選択的に加熱する誘導加熱装置等の各種加熱装置を用いてもよい。

図２に示すように、関節部１４は、複数の関節１４ａを一列に連結して構成される。隣接する関節１４ａ同士は、回動軸１４ｂを介して連結されている。関節１４ａの内部には、関節１４ａを回動軸１４ｂの回りに回動させる回動機構が設けられている。関節部１４は、関節１４ａが回動することで、配線印刷ヘッド１２を矢印方向に回動させて、正面１２ａを図示の初期位置から９０°傾けることができる。これにより、配線印刷装置１０は、内装部品１００の主面１１２に垂直な側面１１４（図１参照）に対しても正面１２ａを対向させることができる。

本体部１６は、関節部１４の基端を支持する。本体部１６は、制御装置３０、絶縁材タンク３２、配線インクタンク３４、エアコンプレッサー３６、及び光源３８を含む。絶縁材タンク３２は、液体状の絶縁材料を収容する。本体部１６は、図示しない駆動機構により駆動されて配線印刷ヘッド１２を進行方向に移動させる。

絶縁材タンク３２は、絶縁材配管４０を介して絶縁材吐出部２０に接続され、絶縁材吐出部２０に絶縁材料を供給する。配線インクタンク３４は、配線インクを収容する。配線インクタンク３４は、配線インク配管４２を介して配線インク吐出部２２に接続されており、配線インク吐出部２２に配線インクを供給する。

エアコンプレッサー３６は、エア配管４４を介してエア噴射口２４に接続されており、エア噴射口２４に圧縮エアを供給する。

光源３８は、例えば、キセノンフラッシュランプよりなり、光ファイバー４６を通じて光照射部２６に接続されている。光源３８は、レーザダイオード等の小型の素子で構成してもよく、この場合には、光照射部２６に光源３８を内蔵させてもよい。

制御装置３０は、センサ配線４８を通じて、位置センサ１８に接続される。制御装置３０は、位置センサ１８の検出値に基づいて、配線印刷ヘッド１２と内装部品１００との距離を一定に保つように本体部１６の位置を制御する。また、制御装置３０は、内装部品１００の形状データを取得し、内装部品１００のリブ構造１０８や段差１１０等の立体形状に応じて、関節部１４を回動させて、配線印刷ヘッド１２の正面１２ａを配線インクの塗布対象とする面に対向するように配置する。

本実施形態の配線印刷ヘッド１２及び配線印刷装置１０は以上のように構成され、以下その作用について、内装部品１００（ワーク）への配線の形成方法とともに説明する。

図４に示すように、本実施形態の配線の形成は、配線印刷装置１０において、配線印刷ヘッド１２をその正面１２ａが内装部品１００の塗布対象面１００ａと平行に対向するように配置する。その際に、図２の制御装置３０は、位置センサ１８の検出値に基づいて、正面１２ａを塗布対象面１００ａから一定の距離を保つように配線印刷ヘッド１２の位置を制御する。その後、配線印刷装置１０は配線印刷ヘッド１２を内装部品１００に対して白抜き矢印の方向に相対的に移動させる。配線印刷ヘッド１２の移動は、本体部１６を内装部品１００に対して移動させる方法、又は内装部品１００側を配線印刷ヘッド１２に対して移動させる方法のいずれで行ってもよい。

配線印刷ヘッド１２は、内装部品１００に対して、進行方向の前方の絶縁材吐出部２０から、絶縁材料を吐出させて塗布対象面１００ａの上に、絶縁層５２を形成する。次いで、絶縁層５２の上に、配線印刷ヘッド１２の配線インク吐出部２２から配線インクを吐出させて、配線インク層５４を形成する。その後、エア噴射口２４から、配線インク層５４及び絶縁層５２にエアを吹き付けて配線インク層５４及び絶縁層５２の乾燥を行う。

図５Ｂに示すように、比較例の配線印刷ヘッド１２のように、乾燥を行わない場合には、リブ構造１０８Ａのように、傾斜面を有する構造物に、絶縁層５２と配線インク層５４とを塗布すると、重力の作用により、鉛直下方に液体状の絶縁材料及び配線インキが流動してしまう。その結果、リブ構造１０８Ａの上の絶縁層５２と配線インク層５４に厚みの薄い部分が生じ、条件によっては図示のように断線部１１６が生じてしまう。

これに対し、図５Ａに示すように、本実施形態の配線印刷ヘッド１２では、配線インク層５４及び絶縁層５２を塗布した直後にその乾燥を行う。乾燥により、配線インク及び液状の絶縁材に含まれる溶剤の少なくとも一部又は全部が除去されて、配線インク層５４及び絶縁層５２の流動性が失われる。そのため、本実施形態では、塗布対象面１００ａに配線インク層５４及び絶縁層５２が塗布された直後の形状が保たれる。図５Ａに示すように、重力が作用する傾斜した面に配線インク層５４及び絶縁層５２が塗布された場合であっても、配線インク及び液状の絶縁層５２が流れる前に、配線インク層５４及び絶縁層５２を塗布対象面１００ａに留めることができ、均一な厚みで配線インク層５４及び絶縁層５２を形成できる。

さらに、図４に示すように、配線印刷ヘッド１２の光照射部２６は、乾燥を行った配線インク層５４に光を照射して加熱することで、配線インク層５４の焼結を行う。配線インク層５４は、残留する溶媒等の有機成分が揮発して除去されるとともに、金属粒子の結合（焼結）が進み、高い導電性を有する配線層５６が形成される。

ところで、図６の比較例に示すように、塗布した配線インク層５４の乾燥を行わずに、焼結を行うと、配線インク層５４に多量に含まれる溶媒が、照射光によって急激に加熱されることで、突沸することがある。突沸が生じると、その周辺の配線インクが弾き飛ばされて、クレータ状に配線インクが除去された欠陥が生じる。配線パターン１０３の幅によっては、図示のように断線部１１６を生じてしまう。

これに対し、図４に示す、本実施形態の配線印刷ヘッド１２では、予め配線インク層５４の乾燥を行うことにより、溶媒を除去するため、突沸を防止でき、断線部１１６の発生を防止できる。以上のようにして、配線印刷ヘッド１２は、内装部品１００の上を移動しながら、絶縁層５２及び配線層５６を含む配線パターン１０３を形成してゆく。

図７に示すように、配線印刷装置１０は、関節部１４を内装部品１００の塗布対象面１００ａの角度に応じて、配線印刷ヘッド１２を回動させることができる。これにより、内装部品１００の主面１１２に対して垂直な側面１１４等に対しても絶縁層５２及び配線層５６よりなる配線パターン１０３を形成できる。

本実施形態の配線印刷ヘッド１２及び配線印刷装置１０は、以下の効果を奏する。

本実施形態は、内装部品１００（ワーク）の表面に配線パターン１０３を形成する配線印刷ヘッド１２に関する。配線印刷ヘッド１２は、液状の絶縁材料を吐出して絶縁層５２を形成する絶縁材吐出部２０と、絶縁層５２の上に導電性粒子を含む配線インクを吐出して配線インク層５４を形成する配線インク吐出部２２と、配線インク層５４の揮発成分（溶媒）を減少させる乾燥機構（エア噴射口２４）と、配線インク層５４を焼成して配線パターン１０３を形成する焼成機構（光照射部２６）と、を備える。

上記の構成によれば、配線インクを塗布した直後に乾燥及び焼結を行うため、複雑な立体形状を有する内装部品１００の表面であっても、重力や表面張力によって配線インクが流れる前に、配線インク層５４を固めることができるため、配線層５６の厚さのばらつきの少ない配線パターン１０３を形成できる。また、焼結を行う前に、乾燥を行って揮発成分である溶媒を除去するため、焼成機構での突沸を防ぐことができ、突沸による断線部１１６の発生を防止できる。

上記観点の配線印刷ヘッド１２において、乾燥機構は、エアを配線インク層５４に吹き付けるエア噴射口２４で構成してもよい。この構成によれば、溶媒を効率よく除去できる。

上記観点の配線印刷ヘッド１２において、乾燥機構は、配線インク層５４の溶媒の沸点以下の温度で加熱する加熱機構で構成してもよい。この構成によれば、溶媒の突沸を防ぎつつ、溶媒を効率よく除去できる。

上記の配線印刷ヘッド１２において、焼成機構は、配線パターン１０３の幅と同じ直径の範囲に光を絞って照射する光照射部２６で構成してもよい。この構成によれば、配線パターン１０３の周囲への加熱を防ぐことができ、ワーク表面の荒れを防ぐことができる。

上記の配線印刷ヘッド１２において、光照射部２６は、キセノンフラッシュランプからの光を照射するように構成してもよい。

本実施形態は、内装部品１００（ワーク）の表面に配線パターン１０３を形成する配線印刷ヘッド１２と、配線印刷ヘッド１２を回動させる関節部１４を備える、配線印刷装置１０に関する。配線印刷装置１０の配線印刷ヘッド１２は、液状の絶縁材料を吐出して絶縁層５２を形成する絶縁材吐出部２０と、絶縁層５２の上に導電性粒子を含む配線インクを吐出して配線インク層５４を形成する配線インク吐出部２２と、配線インク層５４の揮発成分を減少させる乾燥機構と、配線インク層５４を焼成して配線パターン１０３を形成する焼成機構と、を備える。

上記観点の配線印刷装置１０によれば、リブ構造１０８や段差１１０等の複雑な立体形状を含む内装部品１００（ワーク）の表面に、厚みのむらや断線等の欠陥を生じることなく配線パターン１０３を形成できる。

上記観点の配線印刷装置１０において、配線インク吐出部２２を内装部品１００（ワーク）の表面に対向するように関節部１４を回動させる制御装置３０を設けてもよい。この構成によれば、垂直な側面１１４等に対しても、配線パターン１０３を形成できる。

上記観点の配線印刷装置１０において、配線印刷ヘッド１２の進行方向の先端部に内装部品１００（ワーク）との間隔を検出する位置センサ１８を設けてもよい。この構成によれば、配線印刷ヘッド１２と内装部品１００との距離を一定に保つことができ、配線パターン１０３における配線層５６の厚さ及び幅のばらつきを抑制できる。

上記において、本発明について好適な実施形態を挙げて説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の改変が可能なことは言うまでもない。

１０…配線印刷装置 １２…配線印刷ヘッド
１４…関節部 １４ａ…関節
１８…位置センサ ２０…絶縁材吐出部
２２…配線インク吐出部 ２４…エア噴射口
２６…光照射部 ３０…制御装置
５２…絶縁層 ５４…配線インク層
１０３…配線パターン

Claims (8)

1. ワークの表面に配線パターンを形成する配線印刷ヘッドであって、
   液状の絶縁材料を吐出して絶縁層を形成する絶縁材吐出部と、
   前記絶縁層の上に導電性粒子を含む配線インクを吐出して配線インク層を形成する配線インク吐出部と、
   前記配線インク層の揮発成分を減少させる乾燥機構と、
   前記配線インク層を焼成して配線パターンを形成する焼成機構と、
   を備えた配線印刷ヘッド。
2. 請求項１記載の配線印刷ヘッドであって、前記乾燥機構は、エアを前記配線インク層に吹き付けるエア噴射口よりなる、配線印刷ヘッド。
3. 請求項１記載の配線印刷ヘッドであって、前記乾燥機構は、前記配線インク層の溶媒の沸点以下の温度で加熱する加熱機構よりなる、配線印刷ヘッド。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の配線印刷ヘッドであって、前記焼成機構は、前記配線パターンの幅と同じ直径の範囲に光を絞って照射する光照射部よりなる、配線印刷ヘッド。
5. 請求項４記載の配線印刷ヘッドであって、前記光照射部は、キセノンフラッシュランプからの光を照射する、配線印刷ヘッド。
6. ワークの表面に配線パターンを形成する配線印刷ヘッドと、前記配線印刷ヘッドを回動させる関節部を備える、配線印刷装置であって、前記配線印刷ヘッドは、
   液状の絶縁材料を吐出して絶縁層を形成する絶縁材吐出部と、
   前記絶縁層の上に導電性粒子を含む配線インクを吐出して配線インク層を形成する配線インク吐出部と、
   前記配線インク層の揮発成分を減少させる乾燥機構と、
   前記配線インク層を焼成して配線パターンを形成する焼成機構と、
   を備えた、配線印刷装置。
7. 請求項６記載の配線印刷装置であって、前記配線インク吐出部を前記ワークの表面に対向するように前記関節部を回動させる制御装置を備える、配線印刷装置。
8. 請求項６又は７記載の配線印刷装置あって、前記配線印刷ヘッドの進行方向の先端部に前記ワークとの間隔を検出する位置センサを備える、配線印刷装置。

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