JP2591817B2 - ３次元表面に複雑な精密パターンを作成する方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、湾曲した表面上に複雑なパターンを付加す
るための手法に関するものであり、さらに詳しくは、高
周波の無線周波数伝播装置のためのダイクロイック反射
器として有用である湾曲パラボラ型表面のような、湾曲
した又は不規則な三次元表面上のダイクロイックパター
ンのように複雑で比較的薄い導電性金属パターンを形成
するための方法に関するものである。

（従来技術） 進歩した通信衛星は、通信の目的のためにミリ波の無
線周波数を用いる。それらの通信衛星の通信システムに
おけるアンテナは、指向性をもつように意図され、それ
ゆえ地球上の選択された地域にわたって狭い範囲と広い
範囲に択一的に電波を供給する。この目的のために反射
器又は副反射器としてダイクロイック表面を使用するこ
とは、無線周波数帯におけるアンテナの適正なチャンネ
ル分離と衛星の付属装置に望まれる物理的なコンパクト
性を得るための主要な手段である。ダイクロイック無線
周波数反射器の表面を作成するための既存の方法は、パ
ラボラ型表面のような湾曲した表面上に金属のダイクロ
イックパターン、すなわち一定の間隔ごとに並んだダイ
ポールをセグメントオレンジスキン（segmented orange
skin）法を用いて付加していく方法である。その方法
においては金属パターンが製作され、その次にパラボラ
型の表面上に各ピースごとに方向づけされ固着される。
この方法は時間がかかりコストも高い。さらに低周波数
に対しては有効であるが、高いミリ波の波動数において
は、その方法では突きつけ不連続性、即ち並んで表面上
に固着された２つの別々の金属ピースの接続部で生ずる
機械的突出が表面で生じる結果となる。このような不連
続性は、1/4波長が約1.91ミリ（0.075インチ）であるよ
うなミリ波の波動数においては受け入れ難い。なぜなら
ば当該不連続性はアンテナの放射分布パターンを少なか
らず変化させてしまうからである。アンテナへの応力に
加えて、他には、平面でないあるいは不規則な三次元平
面上への正確な金属処理が要求される場合、たとえば不
規則な形を成すプリント回路や、３次元RFストリップラ
インや、マイクロ波の送電線の形成に応用することがで
きる。

（発明の目的） 発明の目的は、平面でない湾曲した表面上に、複雑で
入り組んだ金属パターンを形成した、例えばミリ波のダ
イクロイックのパラボラアンテナ反射器等を作成するた
めの迅速かつ効率の良い方法を提供することである。

（発明の構成） 第１発明は、表面が第１材料でできており、第１材料
と非類似の第２材料で被覆された、湾曲した三次元表面
に複雑なパターンを作成する方法において、 三次元表面に投影したときその表面上に複雑な二次元
パターンを形成する、電子計算機処理したパターン情報
を作成するステップと、 上記二次元パターンを平面化した写真マスクの上に移
すステップと、 上記湾曲した三次元表面を該湾曲した三次元表面から
離れた平面内にある上記写真マスクに含まれるパターン
に合わせ位置決めするステップと、 平行光源による露光に対応して物理的性質あるいは状
態を変化する特性の材料の薄い被覆層によってパターン
を受けるべき表面を被覆するステップと、 電子計算機処理したパターン情報から得た上記写真マ
スクに含まれる陰画像内の湾曲した三次元表面上の上記
被覆層を露光するために上記平行光源によって一連の直
線路によって上記写真マスクを走査するステップと、 上記被覆層を露光するために平行光源によって一連の
直線パッドに沿って上記マスクを走査するステップと、
さらに 上記被覆層の露光されなかった部分を取り除いて第２
材料の一部を露出させるステップと、 第２材料をエッチングして露光されなかった上記被覆
層を除去することなく第１材料を露出させ、その後露光
されなかった被覆層を除去するステップと を包含することを特徴とする三次元表面に複雑なパター
ンを作成する方法である。

本発明の実施態様は以下の通りである。すなわち、上
記平行光源による露光に対応して物理的性質あるいは状
態を変化する特性の材料が、感光材料であることを特徴
とする。

上記平行光源による露光に対応して物理的性質あるい
は状態を変化する特性の材料が、金属被覆材料であり、
上記平行光源が、上記金属被覆材料を蒸発させることが
できる高強度の光を投射することを特徴とする。

上記第１材料が絶縁材料であり、上記第２材料が金属
であり、該第２材料の金属をエッチングにとって除去す
ることを特徴とする。

上記平行光源が、金属を蒸発させるに充分な高さのエ
ネルギーレベルの可干渉性光であることを特徴とする。

（実施例） 第１図のブロック１に示すように、湾曲した表面と当
該表面上に形成しようとするパターンのコンピューター
モデルを、例えばGEOMOD（商標）プログラムのようなよ
く知られたコンピューターグラフィックプログラムのい
ずれかを用いて従来のコンピューターグラフィックスデ
ィスプレー上に作成する。当該表面は、ブロック２に示
すように、コンピューターモデルの結果を用いて３次元
立体形式に形成され、あるいはこの代りに、当該データ
を、ブロック３に示すように、他のデータベースに変換
する。上記GEOMODプログラムは、米国カリフォルニアの
サンジエゴにあるストラクチュアル ダイナミックス
リサーチ（Structural Dynamics Research）社によって
販売されているものの一つである。当該プログラムは、
設計者がコンピューター上で自由空間における立体形状
として表しながらハードウェアを設計することができる
ソフトウェアプログラムである。このようなグラフィッ
クデザインプログラムは、コンピューターグラフィック
スの技術分野でよく知られている。アポロ（Apollo）、
デジタル イクイップメント（Digital Equipment）
社、IBM、Sun、Ｈ−Ｐのコンピュータのような組合せコ
ンピューターも同様であり、上記GEOMODプログラムを使
用するディスプレーもまた、所望により言及することが
できるコンピューターグラフィックス技術分野において
よく知られている。

前述の装置を用いて、湾曲した表面及びパターンを、
与えられた適正な大きさと比率によってコンピューター
上で効率的に形成する。当該表面に対する製作図面を従
来のプロッターでプリントし、当該表面を製作するモデ
ルメーカーに渡す。その後、当該表面はここで述べるよ
うに処理される。

ブロック３に示すように、コンピューターで作成した
３次元モデル又はパターンのシュミレーションを、その
後２次元の平面図、たとえば一つの平面を上側から見た
パターンを表わす二次元平面に変換する。これは、もう
１つのよく知られた標準的な変換器「IGES」を用いて達
成される。従来IGESは、「Initial Graphics Exchange
System」を表わしている。従来IGESはCADAMのような１
つのプログラムで使用して作られたデータベースを、従
来GEOMODのような他のプログラムで使用できる形式に変
換するために業界が共同で開発した規格である。このIG
ESのプログラムは、上記のデータを入力し、二次元のCA
DAMデータベースを作成する。

CADAMグラフィックスプログラムは、よく知られたコ
ンピューターグラフィックスプログラムであり、カリフ
ォルニアのバーバンクにあるカダム（CADAM）社によっ
て販売されている。CADAMは、Computer aided design a
nd manufacturingの頭文字とみられている。このソフト
ウェアプログラムは、設計者や製図者がコンピューター
で設計したり図を描いたりすることができる。このプロ
グラムは通常IBMコンピューター上で作動する。そのデ
ータベースは多くの目的で使用することができる。CADA
Mデータベースは、本方法において応用する場合、二次
元平面で眺めた場合の、特に与えられた実例の頂部から
みた場合の複雑なパターンのデジタル形式の表示を含ん
でいる。その後第１図のブロック５で示すように、当該
データベースは、例えば前述したIGES標準ソフトを使う
ことによってブロック７で示す数値制御テープの形式に
転換され、あるいはそのかわりに当該データベースは、
ブロック９に示すプロッターに供給される。

当業者が認識しているように、データーベースに含ま
れている情報形式は、産業界で利用されている切削機械
に入力する数値制御テープのメーカーによって特定され
ている形式に転換されなければならない。この転換ある
いは変換プログラムは、そういった機械を使用する者に
よく知られている。その後当該テープは、後述する本方
法におけるこの先の工程を実行する切削機械を制御する
ために使用される。

上述のものの代りとして、CADAMデータベースはフォ
トグラフィックマスク上の二次元プロッターパターンに
転換される。これはブロック９に示すように、産業界で
知られているGerberプロッターのような従来の精密グラ
フィックプロッターを使用することによって達成され
る。上記Gerberプロッターは、ゲーバー（Gerber）社に
よって作成された写真プロッターを制御するＺ軸（Ｘ−
Ｙ）プロセッサーである。当該プロッターは、上記CADA
Mプログラムのようなコンピューターデータベースによ
って供給されるデータを使用して、プリント回路基板製
作のための精密なフォトマスクを作成するために使用さ
れる。上記Gerberプロッターは、その目的のためにゲー
バー社から入手できるソフトウェア、すなわちコンピュ
ータープログラムを組込んでいる。上記Gerberプロッタ
ーはCADAMの情報を直接受取り、フォトマスクを作成す
る。作成されたマスクは、後で詳細に述べるように本方
法におけるこの先の工程を実行するための追加装置によ
って使用される。

２次元パターンのデータベースを作成するための別の
技術も第１図に示される。適用されるパターンは、ブロ
ック11で示される３次元CADAMデータとして含まれてい
る。このデータはその周知のプログラムで使用される形
式で記憶されている。前述したように、上記CADAMプロ
グラムの主要な用途は、３次元物体をいろいろな角度か
ら見ることができることであり、当該物体は機器設計者
が多くの角度から眺めることができるようにコンピュー
ターディスプレイの端末機上で回転させて表わすことが
できる。各画面は、本質的に３次元物体の２次元平面上
への投影である。ブロック13に示すように、３次元のパ
ターンデータは、３次元データ形式から２次元CADAMデ
ータベースへ転換あるいは変換される。従来技術の例で
示したように、ブロック５で示すこの２次元CADAMデー
タは、ブロック７に示すような数値制御テープの形にさ
らに変換してもよいし、あるいはまた、ブロック９で示
すように、フォトマスクパターンを作成するため、前述
したIGES標準変換プログラムを使用してGerberプロッタ
ーによって使用される形式に変更してもよい。コンピュ
ーターに補助される図面作成に高い解像力を有している
ことを知っている人達が認めているように、複雑なパタ
ーンの作成や他のデータベース形式への転換あるいは変
換は、ミリ波の反射器での使用に対して言及されたダイ
クロイックダイポールのような、パターン中に微細要素
を含む非常に複雑なパターンを作成したり取り扱ったり
するような場合に、効率的かつ迅速な手段を提供する。

導電性のパターンを形成するべき非金属の中実モデル
あるいは表面は、銅や金のように所望の金属の薄い層で
金属化し、あるいはめっきをする。表面をそのようにめ
っきするのによく知られた好適な技術は、金属蒸着法で
ある。この方法では、加熱装置とめっき金属を収容した
真空室に当該表面を設置する。当該真空室は真空にさ
れ、加熱装置が作動して金属を蒸気化する。真空中の蒸
気化された金属は拡散され、その表面に蒸着して強く固
着した金属被膜を形成する。その後、感光剤コートを従
来の方法で金属層の全面にわたって被覆する。コート
は、プリント回路基板技術における当業者によく知られ
ており、デュポ リストン（Dupont Riston）の1.5ミリ
フィルムのように、しばしば光硬化性樹脂として紹介さ
れるように光に敏感なポリマーをフィルムやスプレーと
して被覆してもよい。

第2a図に示すように、表面21を自動測定装置23の内部
であってフォトマスク組立体25の下側に設置する。この
フォトマスクにはパターン、さらに適切に言えば当該パ
ターンの陰画像が含まれており、第１図で示す工程で作
成したものである。第2a図で示すように、マスクの組立
体は光学ガラス板25aと、25bと、その間に挟まれたマス
クパターン25cとから構成される。そのマスク組立体
は、当該マスクがターゲット表面21の上方に正確に方向
決めされるように適当な基準マークを含んでいることが
望ましい。自動測定装置23は、当該測定装置の位置決め
要素29によって移動する平行紫外線源27を備えている。
当該光源は、軸方向から１°乃至1.5°以上に拡散しな
いようにされた紫外線振動数の光束であるのが望まし
い。その他の平行光線源は例えばレーザーのようなもの
で代用としてもよい。

測定装置の位置を定める要素29は、円柱案内棒31に沿
って横に移動するように調整される。一方、当該案内棒
31は、装置の左から右に移動することができる。この移
動は測定装置の範囲内で従来の制御回路によって制御さ
れるが、同図には示されておらず、また本発明の理解に
は不要である。この装置は、紫外線源が一方の端から始
まって他の端まで、さらに下がって一本ずつマスクを横
切って走査するようにプログラムしておく。パターンを
含むマスクの部分は光を遮断し、一方マスクが開いてい
る部分は光が透過し、下側にある表面21上の感光剤部分
を露光する。

変形例として、フォトマスクを露光するための装置
は、紫外線源が一定に保持され、当該マスクと表面は第
2b図に示すように移動可能なXYテーブルの上に支持され
るタイプであってもよい。

写真エッチング技術における当業者ならば理解できる
ように、本方法の最後の段階において感光剤の露光され
た部分は、実際は硬化している。その後、表面21は露光
されていない部分と、その下にある部分とを除去するた
め処理され、光硬化性樹脂の露光された部分で形成され
た金属パターンが残る。これは第１図に示したが、再
度、参照する。ブロック４に示すように、当該モデルは
金属めっきされ、ブロック６で示すように光硬化性樹脂
が被覆され、当該マスクとモデルを、ブロック８と10に
示すように、前述の通り設置して、走査を行い、そして
ブロック12で光硬化性樹脂を除去する。

その表面は、望ましくは１−１−１トリクロロエタン
（TCE）のような洗浄剤に浸され、硬化していない光硬
化性樹脂の部分が除去されて、その下にある金属めっき
を露出する。さらに当該表面は強酸やクロム酸のような
金属エッチング溶液に浸され、もしめっきが銅であるな
らば露出した銅がブロック14で示すように除去される。
めっきの他の部分を被う半硬化した光硬化性樹脂は、酸
の腐食を本質的に免れて下側の金属層部分を保護する。
さらに当該表面は、望ましくは１−１−１トリクロロエ
タンのような液体洗浄の槽内に置かれ、該槽は、ブロッ
ク16で示すように、光硬化性樹脂の硬化した部分を除去
するために超音波で溶液を掻き回し、ブロック18で示す
ように、所定のパターンである残りの金属部分を露出さ
せる。

時間、温度、濃度に関する正確な詳細は、被覆された
材料の厚さや品質を含めて多くの要因によって変化する
であろう。そのような要因及び詳細は、プリント回路基
板技術やメッキ技術の当業者によく知られており、これ
以上述べる必要はない。

本質的にマスク不要の他の実施例は、ブロック４′に
示すモデルや表面のめっき、ブロック７に示すコントロ
ールテープの作成、ブロック15に示す走査装置内の設置
へ導かれることから派生する。これは、ブロック17に示
すように、走査の工程が続く。走査は、カッティングレ
ーザーを用いてもよい。第３図に図示されているよう
に、この場合銅のような金属で被覆された表面21′は、
数値制御された切削機械31のテーブル上に設置されてお
り、この図では部分的に図示されている。切削機械は、
位置を定めるアーム35に取りつけられているカッティン
グレーザー33を支持しており、その詳細は本発明の理解
においては重要ではなく、数値制御される切削機械にお
ける当業者においてよく知られている。切削機械は、テ
ープに記憶させた情報によって制御される。前述したよ
うに当該テープにはパターンの幾何学的平面情報が含ま
れている。従って切削機械の運転中、当該レーザーは所
定のパターンの陰画像部分に対応する表面の全ての部分
に移動しあるいは走査する。当該レーザーは強力な光を
発生し、銅の被覆を切り取りあるいは削り去って、その
下にある絶縁物でできた表面を露出させる。切削機械の
運転が終ったあと、残りの銅の被覆は、所定のパターン
の形状を形成している。

第３図に示した工程における銅被覆表面のレーザーカ
ッティングやエッチングに対する代替の実施例において
も数値制御機械を使用する。この実施例のため、再度、
第１図のフローチャートを参照する。ブロック４′に示
す金属被覆されたモデルは、ブロック19で示すように光
硬化性樹脂で被覆され、ブロック15に示すように、当該
モデルと数値制御テープを走査装置内へ設置する。

第４図に示す切削機械は、紫外線のような光活性光源
を含んでいる。当該図のターゲット表面21″は、第２図
に示した表面21と同様に、前述した光硬化性樹脂のよう
な光に敏感な化学被膜を含む金属化された絶縁物であ
る。光化学被膜は、レーザー光の露光が、当該露光され
た部分を硬化させるような性質をもつものである。当該
レーザーは、切削機械の運転を制御する数値制御テープ
に含まれているパターンの陰画像の中の表面の部分に駆
動され、光を発生する。第４図の装置を用いて運転が終
了したとき、第２図の装置に関連して達成され描かれた
と同じ金属パターンを湾曲した表面21″上に提供する。
第１図で示すように、さらにブロック21で露出されてい
ない光硬化性樹脂の除去を行い、ブロック14で露出した
金属を除去し、ブロック16で残りの光硬化性樹脂を除去
し、その結果ブロック18に示すようにモデルのパターン
が残る。

当業者が認めているように、前述の例で使う表面は傾
きが漸増するパラボラ型あるいは半球型表面である。そ
の表面上の導電物質パターンは、２次元のフレームに投
影された場合、ほんのわずかであるが歪を有する。湾曲
した表面の側部においてその傾きが大きくなるほど、当
該歪がだんだんと大きくなるので、第２図で示した工程
に対する追加が望ましい。その場合、連続したフォトマ
スクを作成し使用してもよい。傾きの大きな部分におい
てはリングあるいは球状の写真あるいはフォトマスクを
その表面の部分に適合するように作成してもよい。その
場合、球状のマスクは全体のパターンの一部を含む。当
該紫外線は環状のマスクの下側にある表面部分を露光す
るために使用される。このような一連のリング型マスク
は、各分割部分が全体パターンの小さな部分を定めてい
るので、互いに隣接し、中央のマスクを取り囲むように
作成するのが望ましい。リング型マスクは、光が伝わっ
て処理が行なわれるターゲットの表面部分に近く設置す
ることができるので、歪は小さくなる。

本方法にしたがって作成されたパラボラ型ダイクロイ
ックアンテナ反射器37を第5a図に示し、十字ダイポール
（dipoie）あるいはエルサレムクロス（Jerusalem cros
ses）と呼ばれる小さく規則的に配置された金属アンテ
ナ要素パターン39を当該図に示す。大きな拡大スケール
で示すように、40から44GHzオーダーの周波数において
は、各々のダイポールは幅ｗ及び高さｈが3.21ミリ（0.
1265インチ）であり、長さ1bが約1.52ミリ（0.06イン
チ）であるような先端部を有している。線幅1wは0.127
ミリ（0.005インチ）である。第5c図に示すように、隣
接するダイポールの芯々距離Ccは3.40ミリ（0.134イン
チ）、端部と端部の距離edは0.381ミリ（0.015インチ）
である。

当該反射器は40−44GHzの周波数帯において無線周波
数信号を反射するフィルターとして作動する。端部間距
離3.21ミリ（0.1265インチ）は1/4波長の共振器として
機能し、端部同志の空間距離0.381ミリ（0.015インチ）
は、フィルターのバンド幅に影響を与える近接ダイポー
ル間の無線周波数のカプリングを決定するキャパシタン
スを規定する。

新しい技術に従って製作された前述のアンテナの例
は、本発明の有用性を証明する。

本発明の抜粋された実施例の前述記載は、当業者が本
発明を実施するに十分詳細な記載であると確信する。し
かしながら、その工程と要素の詳細は、前述の目的を可
能にするために説明されたが、それらの工程と要素に対
して均等であるかぎり、本発明の範囲を限定するもので
はなく、その他の変形は、すべて本発明の範囲内でなさ
れるものであり、この明細書を読んだ当業者に明らかな
ものとなることは明白である。それ故、本発明は、請求
項の全体の精神と範囲の内で広く解釈されるべきであ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例の方法を示すフローチャート
図、 第2a図は本方法における１つの工程を示すための装置の
斜視図、 第2b図は第１図の装置に代わる装置の斜視図、 第３図、第４図は湾曲した表面にパターンを付加するた
めの手法において用いられる他の装置の斜視図、 第5a図はダイクロイック反射器の斜視図、 第5b図は、第５図に示すダイクロイック要素の説明図、
そして 第5c図は実施例における要素間の間隔を示す説明図であ
る。 21……表面 23……自動測定装置 25……フォトマスク組立体 25a、25b……光学ガラス 25c……マスクパターン 29……要素 31……円柱案内棒 33……カッティングレーザー

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ジョージ ハワード ジェルブ アメリカ合衆国 カリフォルニア州 90274 ランチョ パロス ヴァーデス コーヴクレスト ドライブ 28409 (56)参考文献 特開 昭63−269808（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−42508（ＪＰ，Ａ)

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】表面が第１材料でできており、第１材料と
   非類似の第２材料で被覆された、湾曲した三次元表面に
   複雑なパターンを作成する方法において、 三次元表面に投影したときその表面上に複雑な二次元パ
   ターンを形成する、電子計算機処理したパターン情報を
   作成するステップと、 上記二次元パターンを平面化した写真マスクの上に移す
   ステップと、 上記湾曲した三次元表面を該湾曲した三次元表面から離
   れた平面内にある上記写真マスクに含まれるパターンに
   合わせ位置決めするステップと、 平行光源による露光に対応して物理的性質あるいは状態
   を変化する特性の材料の薄い被覆層によってパターンを
   受けるべき表面を被覆するステップと、 電子計算機処理したパターン情報から得た上記写真マス
   クに含まれる陰画像内の湾曲した三次元表面上の上記被
   覆層を露光するために上記平行光源によって一連の直線
   路によって上記写真マスクを走査するステップと、 上記被覆層を露光するために平行光源によって一連の直
   線パッドに沿って上記マスクを走査するステップと、さ
   らに 上記被覆層の露光されなかった部分を取り除いて第２材
   料の一部を露出させるステップと、 第２材料をエッチングして露光されなかった上記被覆層
   を除去することなく第１材料を露出させ、その後露光さ
   れなかった被覆層を除去するステップと を包含することを特徴とする三次元表面に複雑なパター
   ンを作成する方法。
2. 【請求項２】上記平行光源による露光に対応して物理的
   性質あるいは状態を変化する特性の材料が、感光材料で
   あることを特徴とする請求項１記載の三次元表面に複雑
   なパターンを作成する方法。
3. 【請求項３】上記平行光源による露光に対応して物理的
   性質あるいは状態を変化する特性の材料が、金属被覆材
   料であり、上記平行光源が、上記金属被覆材料を蒸発さ
   せることができる高強度の光を投射することを特徴とす
   る請求項１記載の三次元表面に複雑なパターンを作成す
   る方法。
4. 【請求項４】上記第１材料が絶縁材料であり、上記第２
   材料が金属であることを特徴とする請求項１記載の三次
   元表面に複雑なパターンを作成する方法。
5. 【請求項５】上記平行光源が、金属を蒸発させるに充分
   な高さのエネルギーレベルの可干渉性光であることを特
   徴とする請求項３記載の三次元表面に複雑なパターンを
   作成する方法。