JP6014054B2 - 3次元構造のモノリシック製作 - Google Patents

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Description

政府支援
本発明は、全体的に又は部分的に、陸軍研究所(Army Research Laboratory)からの契約番号W911NF−08−2−0004に基づく補助金、国立科学財団(National Science Foundation)からの契約番号CMMI−07466 38及びCCF−0926148に基づく補助金、及び、空軍科学研究局(Air Force Ofiice of Scientific Research)からの契約番号FA9550−09−1−0156−DOD35CAPに基づく補助金によって支援されたものである。米国政府は、本発明における特定の権利を有する。
ミクロンスケールのデバイスの製作についてはマイクロ電気機械構造(micro−electro−mechanical structure:MEMS)技術が優勢な立場にあるが、この技術は、通常、単一の平面基板と順次処理とを対象としている。一方、センチメートルスケールの製造は、多数の従来型機械加工プロセスがそれを担っている。しかし、ミリメートルスケールにおける製造は、マイクロロボット及びこのスケールにおける他の機能的機械デバイスのコストと性能とに大きく影響する製作上及び組み立て上の問題に悩まされている。
本明細書においては、3次元構造及びその製作方法を記述する。この構造及び方法の種々の具現化形態は、以下に記述する要素、特徴及びステップのいくつか又は全てを包含することができる。
3次元は、複数のパターン化された層を積み重ねて、層間の複数の接合部を含む積層体構造を形成するように、その複数のパターン化された層を選択された位置において接合することによって構成できる。続いて、この積層体構造を、層間に間隙を生成するように、少なくとも1つの層を選択的に変形させることによって、拡開された3次元の形態に拡開することが可能である。但し、その間、層間の複数の接合部の少なくともいくつかは維持されるのである。
構造における層は、少なくとも1つの剛性層と少なくとも1つの可撓層とを包含することができ、その場合、剛性層は複数の剛性セグメントを包含し、可撓層は、継手として機能するように、剛性セグメントの間に広がることができる。可撓層の剛性は剛性層より大幅に低く、その剛性よりも少なくとも1桁大きい剛性(即ち10倍より大きい、或いは100倍より大きい剛性)を有することができる。同様に、可撓層は、剛性層の可撓率の少なくとも10倍、或いは少なくとも100倍の可撓率を有することができる。続いて、層を積み重ね、選択された位置において接合して、層間の接合部を有する積層体構造を形成することができ、更に続いて、この積層体構造を変形させるか或いは曲げて、拡開された3次元構造を作製することができる。この場合、層は、選択された接合位置において結合され、他の位置では分離されている。
本明細書に記述する方法及び構造は、例えば、全ミリメートルスケール(例えば100μm〜10mmの寸法の器具用)の製造プロセス全体にわたって、かつそれを超えて用いることが可能であり、このスケールにおける精密製作された機構、機械及び自律ロボットの大量生産を可能にする。本明細書に記述する製造技術のいくつかは、多層のプリント回路基板(printed circuit board:PCB)の製造に用いられる技術と同じ、或いはそれと同様又はそれに類似している可能性があり、一方、組み立て技術のいくつかは、MEMS、折り紙及びポップアップ絵本用として用いられる組み立て技術と同じ、或いはそれと同様又はそれに類似している可能性がある。これらの分野に用いられる付加的な技術は、本発明による使用に適合させることができる。
伝統的なMEMSに比較すると、本明細書に記述する方法は、使用し得る材料に関して極端に多能である。更に、伝統的なMEMSは、主として材料のバルク体としての追加に制限されるが、本明細書に記述する方法は、精密にパターン化された層を追加するためだけでなく、集積回路、可撓回路、アクチュエーター、電池などの完全なサブコンポーネントの追加用としても用いることができる。本明細書に記述する多層の超平面構造の熱的な要求も大幅に低くすることが可能であり、製作機器のコストもより低く抑えることができる。更に、種々の層に対するこの方法の処理ステップは、MEMS処理の多くの部分が順次的に連続方式で行われるのに対して、同時に平行して遂行することが可能である。
この方法は、デバイス内部の非常に多様なデバイス及び構造の製作、例えば、Iビーム、光スイッチとして使用する大型作動ミラー、操縦可能アンテナ、高速高出力物理スイッチ及びロボット飛行機器などを包含するデバイス及び構造の製作にも用いることができる。
図1は、PC−MEMS機械の製作の模式的表現における製作、組み立て、及び取り外しステップを示す。 図2は、折り曲げ継手の形成を示す。 図3aは、チタン酸ジルコン酸鉛(lead zirconate titanate:PZT)プレートを支持する中央プレートを用いたモノリシック蜂(monolithic bee:mobee)製作における順次積層化ステップの1ステップを示す。 図3bは、図3aの順次積層化ステップの別のステップを示す。 図3cは、図3aの順次積層化ステップの更に別のステップを示す。 図4は、0−90−0炭素繊維複合材からなる単一層の図である。 図5は、加圧硬化用の15層の積層材の分解斜視図である。 図6は、製作されたままの図5の全15層の斜視写真画像である。作動用の2つのPZTプレートを画像の底部の近くに見ることができる。 図7は、加圧硬化用として準備された図5の積層材の斜視写真画像である。ピックアンドプレースされた後の1つの圧電プレートを見ることができる。第2のアクチュエータープレートは積層材の中の内部空洞内にある。 図8は、アクチュエーターを所定位置に保持するスプリングクリップの拡大写真画像である。 図9aは、所要の組み立て軌跡を実現する組み立て用骨格の機能を示す模式的な斜視図である。 図9bは、別の位置における図9aの組み立て用骨格を示す。 図10aは、モノリシックロボット蜂(mobee)の斜視図であり、ハンダ付け締結継手が矢印で強調表示されている。 図10bは、真鍮プレート及びハンダによる折り曲げ及び締結ステップの1つのステップを模式的に示す。 図10cは、図10bのステップの別のステップを示す。 図10dは、図10bのステップの更に別のステップを示す。 図11は、取り外されたmobeeのポップアップ組み立てする前の斜視写真画像である。 図12は、取り外されたmobeeのポップアップ組み立て後の斜視写真画像である。 図13は、本発明の方法によって多層の積層体から組み立てられた周囲フレーム中のmobeeの後ろ側から見た斜視写真画像である。 図14は、図13のmobeeを前から見た斜視写真画像である。 図15は、図13のmobeeを高い位置の前から見た斜視写真画像である。 図16は、図13のmobeeを右側方から見た斜視写真画像である。 図17は、図13のmobeeを側方から拡大して見た斜視写真画像である。 図18は、図13のmobeeを完全組み立てする前に後ろ側から見た斜視写真画像である。層が部分的にのみ折り曲げられている。 図19は、図13のmobeeを白地の背面に対して後ろ側から見た斜視写真画像である。 図20は、周囲の骨格から取り外した後のmobeeの斜視写真画像である。 図21は、mobeeにおいて翼とハンダ付けパッドとを形成するチタン及び真鍮の共有層における切り込みを示す。 図22は、膜の層が取り付けられたmobeeの最終的な翼を示す。 図23は、積層体の積み重ね体とモノリシック製作のための配列工具とを示す。 図24は、モノリシック製作によって製作されるインターロッキングチェーンリンク構造を示す。 図25は、インターロッキングチェーンリンクの別の図である。 図26は、インターロッキングチェーンリンクの更に別の図である。 図27は、インターロッキングチェーンリンクの更に別の図である。 図28は、Wright Flyer号モデルの折り曲げ機構及び層を示す。 図29は、同じくWright Flyer号モデルの折り曲げ機構及び層を示す。 図30は、同じくWright Flyer号モデルの折り曲げ機構及び層を示す。 図31は、8面のエンクロージャに組み立てるためのスプリング付勢されたモノリシック構造を示す。 図32は、同じく8面のエンクロージャに組み立てるためのスプリング付勢されたモノリシック構造を示す。 図33は、同じく8面のエンクロージャに組み立てるためのスプリング付勢されたモノリシック構造を示す。 図34は、同じく8面のエンクロージャに組み立てるためのスプリング付勢されたモノリシック構造を示す。 図35は、同じく8面のエンクロージャに組み立てるためのスプリング付勢されたモノリシック構造を示す。 図36は、同じく8面のエンクロージャに組み立てるためのスプリング付勢されたモノリシック構造を示す。 図37は、正20面体の折り曲げ解除組み立てを示す一連のフィルム捕捉動画の一場面を示す。 図38は、図37の正20面体の折り曲げ解除組み立ての別の場面を示す。 図39は、図37の正20面体の折り曲げ解除組み立ての更に別の場面を示す。 図40は、図37の正20面体の折り曲げ解除組み立ての更に別の場面を示す。 図41は、図37の正20面体の折り曲げ解除組み立ての更に別の場面を示す。 図42は、図37の正20面体の折り曲げ解除組み立ての更に別の場面を示す。 図43は、正20面体の折り曲げ解除組み立てからの一場面を示す。骨格の殆どの部分は図から取り除かれている。 図44は、図43の折り曲げ解除組み立てからの一場面を示す。 図45は、図43の折り曲げ解除組み立てからの別の場面を示す。 図46は、図43の折り曲げ解除組み立てからの更に別の場面を示す。 図47は、図43の折り曲げ解除組み立てからの更に別の場面を示す。 図48は、図43の折り曲げ解除組み立てからの更に別の場面を示す。 図49は、骨格の中心部における組み立てられた正20面体の側面図を示す。 図50は、正20面体の組み立てに寄与する骨格の下側及び回転プレートを示す。
添付の図面においては、同じ参照符号は、異なる図面を通して、同じ又は類似の部分/部品を表す。図面は、必ずしもスケールどおりではなく、その代わりに、以下に言及する特定の原理を表現するために強調されている。
本発明の種々の態様の以上及び他の特徴及び利点は、本発明の広い範囲内の種々の概念及び特定の実施形態に関する以下の具体的な説明から明らかになるであろう。上記に導入され、以下に詳しく説明する主題事項の種々の態様は、その主題事項がいかなる特定の実施方式にも限定されないので、任意の数多くの方法で実施することができる。特定の実施方法及び適用の例は、一義的には例示目的用として提供される。
本明細書において、他の意味に規定され、使用され、又は特徴付けられない限り、本明細書で使用する用語(技術用語及び科学用語を包含する)は、当該分野の現況において受入れられるその意味と合致する意味を有するものと解釈されるべきであり、本明細書において明示的にそのように定義されない限り、理想化された意味又は過度に形式的な意味に解釈されるべきではない。例えば、特定の組成物に言及する場合、その組成物は、完全に純粋ではないが、実質的には、実際的かつ不完全な現実が適用され得るようなものであると理解できる。即ち、例えば、少なくとも微量(例えば1又は2重量%又は容積%未満)の不純物の潜在的な存在はその記述の範囲内にあると理解できる。同様に、特定の形状に言及する場合、その形状は、理想的な形状からの不完全な変動、例えば機械加工の許容公差による変動を包含するように意図されている。
本明細書においては、種々の要素を記述する場合に、第1、第2、第3などの用語を用いることがあるが、これらの要素はこの用語によって制限されない。この用語は一つの要素を他の要素から区別する為のみに使われる。従って、以下に述べる第1要素は、事例的な実施形態に関する教示から逸脱することなく第2要素と呼称することが可能である。
空間的な関係を表す用語、例えば、「より上に(above)」、「上の方の(upper)」、「の下に(beneath)」、「より下に(below)」、「下の方の(lower)」などは、本明細書においては、図に示すように、1つの要素の別の要素に対する関係を記述するために、表現を容易にする語として用いられてもよい。空間的な関係を表す用語は、記述され及び/又は図に表現された方位に加えて、使用又は運転中の装置の異なる方位をも包摂するように意図されていることが理解されるであろう。例えば、図中の装置が反転されると、他の要素又は形体「より下に(below)」又はそれ「の下に(beneath)」として記述された要素は、他の要素又は形体「より上に(above)」位置することになるであろう。従って、事例的な用語としての「より上に(above)」は、「より上に」と「より下に」との両者を包摂することができる。また、装置は他の方位に(例えば90°回転又は他の方位に)向け得るので、本明細書において用いる空間的な関係を表す記述子は、それに応じて解釈される。
本明細書においては、更に、ある要素が、別の要素「の上に(on)」にある、別の要素「に結合されている(connected to)」又は「に連結されている(coupled to)」場合には、それは、直接他の要素の上にある、又は、他の要素に直接結合又は連結されているとすることができるか、或いは、他の形に規定されない限り、介在要素が存在し得る。
本明細書において用いる用語法は、具体的な実施形態の記述を目的としており、事例としての実施形態の制限を意図したものではない。本明細書で用いる単数の冠詞「a」、「an」及び「the」は、文脈がそうでないことを明確に指示しない限り、複数の形態をも包含するように意図されている。更に、用語「包含する(includes/including)」及び「含む(comprises/comprising)」は、言及された要素又はステップの存在を規定するが、1つ以上の他の要素又はステップの存在又は追加を排除しない。
本明細書に記述される本開示の装置は、多様な用途において利用できる。この多様な用途には、「高周波数振動システムにおける受動的トルク平衡化(Passive Torque Balancing in a High−Frequency Oscillating System)」なる表題の国際出願番号PCT/US2011/024479号明細書に記述されるPARITy駆動トレインが包含される。
装置は多層の超平面構造である。発明者らは、「平面(の)(planar)」という用語によって、変形できる、曲げることができる、或いは折り曲げることができる(これらの用語は本明細書においては交換可能に用いることができる)1つの層又は平面を意味する。この構造の一実施形態は、例えば、次の順序の層を含む5層の複合材、即ち、剛性層、接着層、可撓層、接着層、剛性層の複合材を形成することによって実現できる。代わりの方式として、剛性層、接着層及び可撓層だけを積み重ねてより薄い複合材を形成することが可能であるが、この構造は対称ではない。剛性層は折り曲げ線に合致する間隙を有するように機械加工され、一方、可撓層は連続である。これによって、可撓層が剛性層から機械加工された間隙を横断して広がる継手が構成される。
構造の「超平面(super−planar)」としての特徴付けは、多重平面層を取り上げ、それを選択的に結合することを意味している。この場合、回路基板に類比させることが可能である。回路基板においては、電気的ビアが異なる層上の回路を接続するが、この場合は、対照的に、構造に「機械的ビア(machanical vias)」が作製される。多重平面層を積み重ねることによって、実現し得るデバイスの範囲は大きく拡大される。超平面構造は、また、デバイスが1枚の平面シートのみから作製できる場合には適合しないような形体及び構成要素をも、構造に組み込むことを可能にする。平面に垂直に動作する機構を含む超平面構造をこの技術によって作製できることが有利である。実際、平面層の間のSarrusリンク機構の形成は、組み立て機構/骨格設計のための有利な方策である。意図する構成要素の回転を効果的に実現するために、Sarrusリンクに他の機構を取り付けることができる。
多層の超平面構造は、以下に詳述するが、次の順序のステップによって製作できる。即ち、(1)各平面層を機械加工する、(2)接着剤を機械加工又はパターン化する、(3)層を効果的な接合条件の下で積み重ねて積層化する、(4)多層構造をポスト積層化機械加工する、(5)多層構造をポスト積層化処理する、(6)各構造における組み立て自由度を解放する、(7)構造部材間の結合を締結する、(8)いかなる非組み立て自由度をも解放する、及び、(9)完成した部分をスクラップフレームから分離する、の各ステップである。
PC−MEMSプロセスの模式的な表現が図1に示されている。この図は、PC−MEMS機械106を製造するために、マイクロ機械加工101と、積層化及びピックアンドプレース102と、折り曲げ103と、締結104と、付加的なマイクロ機械加工105との基本的操作をどのように配置できるかを示している。
この組み立て技術は、図2a〜dに示すように、折り曲げ継手21の形成を包含することができる。この場合、(a)最初に、形体を、個々の材料層内においてマイクロ機械加工101し、生じたチップ13が除去される。(b)積層化の間、合わせピン20が材料層を所定位置に配列し、熱及び圧力が印加される。ここでは、1枚の可撓ポリイミドフィルム層16に接着剤14で接合された2枚の剛性の炭素繊維層12が、「リンク機構副積層体(linkage sub−laminate)」と呼称される5層の積層体15を形成している。(c)マイクロ機械加工が、個々の要素を拘束する機械ブリッジ17を切断し、これによって、関節構造が作出される。(d)完全な折り曲げ継手21が形成され、周囲の骨格19から取り出される。凹凸のパターンによって、この可撓継手21が理想的な回転継手に近いものになる。更に複雑なアセンブリにおける全ての組み立て折り曲げを、単一の「ポップアップ(pop−up)」自由度に組み込むことが可能である。このポップアップ自由度は、ポップアップ後にハンダ付け法によって所定位置に締結でき、続いて、マイクロ機械加工によって取り外すことができる。
A)Mobee
一実施形態において、この製作方法は、例えば図12に示すモノリシック蜂(monolithic bee:mobee)構造26であって、剛性の機体27と、圧電アクチュエーター24と、単一自由度の動力伝達装置と、2つの翼28とを包含するモノリシック蜂26を作製できる。このmobee26は、8個のサブコンポーネント(例えば、1つのアクチュエーター24、1つの機体27、1つのスライダクランク、1つの動力伝達装置、2つの翼ヒンジ、及び2つの翼)を包含でき、これらサブコンポーネントの全ては、単一の多層積層体の中において同時製作され、炭素繊維強化ポリマー、ポリイミドフィルム、アクチュエーター24用の圧電チタン酸ジルコン酸鉛(lead zirconate titanate:PZT)、継手締結用のパッド47用真鍮、及び翼桁52用のチタンを包含するさまざまな材料層のパレットを一体化している。一実施形態において、mobee26は、39mmの翼幅と、18mmの長さと、2.4mmの面外高さと、90mgの質量とを有し、翼28は大きな角度(例えば120°を超える角度)で往復動できる。更に、「ポップアップ」折り曲げと浸漬ハンダ付け締結との平行処理が、先行プロセスにおいて用いられる手動操作の折り曲げ、組み立て及び糊付けに置き換わっている。全ての熟練手動ステップの省略によって、mobee26のパネル化された大量生産が可能になる。本明細書に記述するプロセスは、mobee26の他に、非常に多様な他の構造の形成にも同様に使用可能である。
1)層の機械加工
一実施形態において、多層の構造が、図3a〜cに示すように、種々の材料の多数の薄い層(1.5μm〜約150μm厚さの層)から形成される。図3aに示すように、炭素繊維12と、接着剤14と、ポリイミド16との層が、それぞれのリンク機構35及び37を上下に分離するスペーサー層39と共に積み重ねられる。圧電アクチュエーター24支持用の隆起部33を有する中央プレート23も、スペーサー層39と下側のリンク機構37との間に挿入される。
これらの層を、所要の形体を得るように、レーザーマイクロ機械加工する(例えば、ダイオード励起ソリッドステートパルス化レーザーによって)。この場合、通常、層の全厚さを切り込んで、例えば図6〜8に示すような個々の平面構造を作出する。各層は、周囲の配列穴に対する頑丈な結合部を有する一体化(連続)部分を残すようにマイクロ機械加工される。このマイクロ機械加工は、10μmのような小さい寸法を有する複雑な面内の形体を作製できる。特定のいくつかの実施形態においては、mobeeデバイス26の多数のコピーが1枚の積層体パネルの上に形成され、機械加工のプロセスが、十分な材料を取り除いて、各部分及び部分的な形体を形成し、一方では、各デバイスを周囲の積層体に結合する薄いタブを残す。この点に関しては、積層体パネル内におけるデバイスの配置を、容易に破断可能な薄いタブによって周囲の積層体構造に取り付けられる1バッチの回路基盤の配置に類似したものとすることができる。
この場合、デバイスを周囲の積層体に結合するこのタブ(ブリッジ)17(図2a〜cに示される)は、積層化又は組み立ての後に除去されるであろう。金属、複合材、ポリマーなどの層は、事実上任意の方法によって機械加工又は成形され、かつ、事実上任意の材料を用いることができる。機械加工方法の例として、シート材料のレーザー切断、光化学エッチング、打ち抜き、電鋳法、放電加工など−基本的には、適切な解像度と、所望の材料との適合性とを備えた任意の方法−が包含される。続いて、機械加工された層に、加工残渣を取り除くための清浄化/エッチング、メッキ(例えば、ハンダの付着を容易にするための層に対するフラックス化銅のメッキ)、接合用の前処理、焼きなましなどの付加的な処理を施すことができる。各層が統一された特性を有すると、取り扱い及び後処理が簡単になる。各層を異なる材料とすることができると共に、他の各層とは異なって機械加工及び処理できることが有利である。
各層を、十分な剛性を有し、強固かつ強靭な材料から形成できる点も有利である。これによって、配列ピン20用の穴22及び他の形体を層に機械加工でき、容易な取り扱いが可能になり、かつ、積層材の中に配置された場合、及び、配列ピン30によって拘束された場合に変形しないようになる。それにも拘らず、他のいくつかの実施形態においては、配列用の形体を支持する構造的安定性を有しない層を用いることが可能である。これは、そのような層を、積層体における他の層又は部分を撹乱するような十分な付加的厚さを導入することなく、バルク形態において、これらの目的に適合する剛性のフレームに取り付けることによって行うことができる。
特定のいくつかの例においては、非常に薄いポリマーフィルム(例えば2〜5ミクロン厚さ)が層間に包含される。その薄さと絶縁性とによって、この薄いポリマーフィルムには、皺と、静電的な取り扱い上の問題とが生じやすい。この傾向に対処するために、この薄いポリマーフィルムを、バルク形態において、平坦な制御された状態に軽く引き伸ばし、続いて、例えば薄い金属又はガラス繊維複合材からなる薄いフレームに接合することが可能である。次に、この薄いポリマー層を、精細な部分的形態(例えば正確な位置におけるポリマーの小さい孔)を有するように機械加工でき、かつ、配列穴の形体をフレーム材料に機械加工できる。
付加的ないくつかの実施形態においては、薄層の取り扱い問題を緩和するようにデバイスを設計できる。例えば、デバイス内部の一部分を、脆弱な層に関係する全ての機械加工を積層化後に実行するように設計できる。従って、この層は、積層体への挿入時には精密な配列を必要としないであろう。しかし、それでも、材料を、有利に、積層体内に十分に平坦に配置でき、かつ、材料は、デバイスの所要部分をカバーするのに十分な面積の上に広がるのである。
典型的ないくつかの実施形態においては、バルク状のポリマーフィルム(例えば、ポリエステル、ポリイミドなどから形成される)、金属シート及び箔(例えば、ステンレス鋼、バネ鋼、チタン、銅、インバール(invar:FeNi36)、ニッケルチタン合金(nitinol)、アルミニウムなどから形成される)、銅クラッド積層体、炭素繊維及びガラス繊維複合材、熱可塑性又は熱硬化性接着フィルム、セラミックシート、などをレーザー機械加工して、多層構造形成用として積層化される層を作製することが可能である。このレーザー機械加工は、例えば、355nmレーザー(California州Santa ClaraのDPSS Lasers Inc.社の製品による)によって、通常1〜150μmの厚さの材料上の約7ミクロンのスポットサイズで遂行できるが、更に厚い層も同様にこのレーザーで機械加工可能である。従って、このタイプのレーザーによって、非常に高い解像度と、殆どのタイプの材料を機械加工する能力とが可能になる。
2)接着剤の機械加工又はパターン化
層間の接着は、非接着層の片面又は両面に接着剤をパターン化することによって、或いは、独立の接着層(「接合パイル(bondpile)」)14を用いて行われる。後者の場合には、例えば、熱可塑性又は熱硬化性のフィルム接着剤のシートの形態の本来の接着層14、或いは、片面又は両面に予備接合された接着剤を含む構造的材料層のような接着性積層体が対象になる。接着層14は他の層と同様に機械加工される。接着層14として使用可能なシートの具体的な例として、フレックス回路作製に使用されるシート接着剤(例えば、DuPont社のFR1500接着シート)、或いは、片面又は両面にFEP熱可塑性接着剤14が被膜処理されたポリイミドフィルム16が包含される。独立のシート接着剤は、熱硬化性用としてはアクリルベースのものとすることができる。代替的に、接着剤を熱可塑性にすることが可能である。この場合は、熱可塑性フィルムを、ポリエステル、フッ化エチレンプロピレン(又は他のフルオロポリマー)、ポリアミド、ポリエーテルエーテルケトン、液晶ポリマー、熱可塑性ポリイミドなどから形成できる。また、これらの接着剤の任意のものを、非接着性の担体の片面又は両面に貼付することも可能である。いくつかの追加的実施形態においては、1つの層が、構造層12及び熱硬化性接着剤14の両者−例えば、液晶ポリマー又は熱可塑性ポリイミド−として機能することができる。更に、特殊なタイプの構造層に対しては、例えば溶融接合のような、接着剤を要しない種々のウエハ接合技術を用いることができる。
層間の接着を実現するための別の一技術においては、接着剤14を、非接着性の層12の上に直接塗着してパターン化する。この技術は、例えば、所望のタイプの接着剤が独立の形態になじまない場合に用いることができる。このような接着剤14の例として、本来非常に薄い層を形成する傾向があるハンダ、或いは、液体形態において塗着され(スプレー、ステンシル塗り、浸漬、スピンコーティングなどによって)、続いて、bステージ硬化及びパターン化される接着剤が包含される。bステージ段階のエポキシフィルムは一般的に利用可能であるが、それらは、通常、非常に厚くなければ、或いはスクリム織物で補強されなければ自己支持できない。
生じる接合は「タックボンド(tack bond)」とすることができる。この接合においては、接着剤14が、レーザーマイクロ機械加工の前に、引き続く機械加工に対して隣接層を所定位置に保持するのに十分な粘着性を有するように、かつ、接着性の背面層の取り外しを可能にするのに十分な強度を有するように、隣接層に軽く橋架けされる。このタックボンドによって、加圧積層材における接着剤14の「アイランド(island)」であって連続品の一部分ではない「アイランド」の作出が可能になり、これは能力の大幅な増大をもたらす。接着剤14を隣接する構造層に粘着させるもう1つの理由は、支持されない接着剤14の「アイランド」が、配列用の形体を含む材料の周囲「フレーム(frame)」に対する所望の接着剤のパッチからの物理的リンクを確立する必要なく、もう1つの層に取り付けられることを可能にすることにある。一実施形態においては、ベンゾシクロブテンのような写像可能な液体接着剤を、薄い層において塗着し、ソフトに焼成し、続いてリソグラフィーによってパターン化して、接着剤の選択的パターンを残すことが可能である。ウエハの接合に用いられる他の写像可能な接着剤を用いることもできる。
接着剤14は、当初はその担体フィルムに粘着されるが、パターン化され、ピン20によって構造層12に配列され、続いて、積層材29における少なくとも1つの隣接層に、熱及び圧力によって(例えば200℃及び340kPaで1時間)粘着される。代わりの方式として、接着層を、それをフリーシートとしてマイクロ機械加工することによってパターン化できる。タックボンドは、接着の完全な接合に必要な場合より低い強さ及び短い時間の熱及び圧力の印加を含むことができる。更に別の一実施形態においては、接着フィルム14を、バルク状態においてタックボンド接合し、続いて、例えば、レーザースカイビング/エッチングによって機械加工することが可能である。有利には、この変形態様の使用は、機械加工プロセスがホスト層を損傷しない範囲に限定することができる。この変形態様は、両者共、DuPont社のFR1500接着シート及びレーザースカイビングを用いて試行した。
3)層の積み重ね及び積層化
多層の積層体構造31を形成するために、多数のこれらの層(例えば15層までが表現されている)を、超音波清浄化し、接合を促進するために酸素プラズマに曝露し、積み重ね体に配列する。この積み重ね体への配列は、垂直に向けられたいくつかの精密合わせピン20を、それぞれ、図4、5及び7に示すように、各層におけるいくつかの配列開口22を通すことによって、かつ、配列ピン20用の適合レリーフ穴を有する1組の平坦な工具プレートを用いて実施される。他のいくつかの実施形態においては、他の配列技術(例えば光配列)を用いることができる。全ての層を配列し、一緒に積層化することができる。
積層化された層におけるリンク機構は、平面状(この場合全ての継手軸が平行)とすることが可能である。或いは、継手軸を、球状継手のような非平面状のリンク機構を可能にする非平行型とすることも可能である。
15層の例においては、最終的な積層材29は、1対のリンク機構を形成する以下の層を含んでいた(即ち、可撓層16が、剛性セグメント12に接合されかつ剛性セグメント12の間の間隙の全域にわたって広がる構造であって、それによって、剛性セグメント12の、剛性セグメント12の間の間隙内の可撓層16における相互の屈曲が可能になり、その場合、可撓層16の曝露された部分が継手として有効に機能する構造である)。図5の実施形態においては、層は、次のような積み重ね順序において特定され、その場合「剛性(rigid)」層12は炭素を含み、「可撓(flexible)」層16はポリイミドから形成される。
リンク機構1
1)炭素層12
2)アクリルシート接着剤14
3)ポリイミドフィルム16
4)アクリルシート接着剤14
5)炭素層12
6)アクリルシート接着剤14
スペーサーとしての炭素単独層
7)炭素層12
8)アクリルシート接着剤14
リンク機構2
9)炭素層12
10)アクリルシート接着剤14
11)ポリイミドフィルム16
12)アクリルシート接着剤14
13)炭素層12
14)アクリルシート接着剤14
翼膜
15)翼膜(ポリイミド又はポリエステルフィルム)18
ポリマー−この例ではポリイミド−から形成可能な可撓層16の選択は、炭素繊維におけるマトリックス樹脂との適合性に基づく。4時間の硬化曲線を用いると、硬化サイクルは177℃の最高温度に達する可能性がある。例えば、ポリイミドフィルム(例えば、E.I.du Pont de Nemours and Company社からカプトンフィルムとして入手可能)は、この硬化ステップを乗り切るに十分な(400℃までの)高い稼動温度を有する。ポリイミドフィルムの厚さは、例えば、7.5μmとすることができる。
この実施形態における剛性層12は、例えば100μmの厚さの標準的に硬化された炭素繊維シートである(例えば、3層の一方向繊維を有するもの。但し、2つの直交する方向の厚さをもたらすために、繊維の層が0°、90°及び0°に向けられる)。15層を用いるのは、この実施形態における接着シート14(例えば、Bステージ状態のアクリルシート接着剤の形態であって、例えばDuPont社のPYRALUX FR1500アクリルシートとして商業的に入手可能なもの)がこの実施形態における積層材29の構造材料の各層とは別個のものであるからである。従って、この接着シート14は、どの構造層とも異なるパターンにレーザー機械加工することが可能であり、多くの層が配列された積層材29を作製できる。この可能性によって、完全に又はほぼ完全に配列された多くのリンク機構層を含む部品の製作が可能になる。
各層を積み重ねて積層材29を形成した後、接着層を硬化/橋架けするために、通常、加熱したプラテンプレスによって圧力及び熱を印加する。具体的には、積層材29を、加熱プレス、オートクレーブ、或いは、その接着剤に必要な接合条件を実現するための雰囲気(又は雰囲気の排除)、温度及び圧力を提供する他の装置内で硬化させることができる。硬化プロセスの一実施形態は、DuPont社のPYRALUX FR1500アクリルシートを硬化するために、温度、圧力及び雰囲気制御を具備した加熱プレスにおいて、1平方インチ当り50〜200ポンド(psi)の締結圧力と、350°F(177℃)の温度と、2時間の硬化時間(場合によっては温度上昇勾配制御を含んで)とを用いる。
以上、単一ステップの積層化プロセスを例示したが、2つの順次的な積層化ステップを含むプロセスが、種々の実施形態において好ましい場合がある。その理由は、それが、層化組成物を変更するための第3の技術を提供するからであり、また、それが、チップ除去の問題を容易にし得るからである。「中央プレート(midplate)」23と呼称される別個のプリント回路マイクロ電気機械システム(PC−MEMS)構造を、PZTプレート24の下の層積み重ね体を初期積層化の間に変更するために、導入することが可能であり、続いて、図3に示すように取り除くことができる。これによって、圧電プレート24の厚さを正確に占めることが可能になる。中央プレート23は、簡単な再利用可能PC−MEMS積層体の形態であって、配列穴と、下側のPZTプレート24を支持するように構成される中心のポリイミドの突起体33とを含む平坦な炭素繊維プレートの形態とすることができる。この初期積層化の結果、2つの副積層体35及び37が生じるが、この両者は、それぞれ、図3b及び3cに示すように、炭素12、接着剤14、ポリイミド16、接着剤14、炭素12の順序を包含する層化構造を有する。中央プレート23は、下側の副積層体37の頂部の接着層14に置き換わっている。上部の副積層体35は2つのPZTプレート24をも包含する。
接着層14は、下側の副積層体37に粘着されてマイクロ機械加工され、一方、上部の副積層体35は、中央の炭素スペーサー層39上の機械的ブリッジを切断するようにマイクロ機械加工される。中央の炭素スペーサー層39からチップを取り除いた後、これらの2つの副積層体35及び37を積み重ねて一緒に積層化し、図3cに示す積層体構造31を作製する。
対応する単一ステップのプロセスは、下側のPZTプレート24の下に、支持用として別々のシムを利用する。更に、機械加工ステップは、多くの場合、好ましくない材料領域もしくは「チップ(chip)」を生成するが、これは物理的に除去しなければならない。初期積層化後にスペーサー層39をマイクロ機械加工すると、マイクロ機械加工から生じる全てのチップを曝露表面から容易に除去できる。単一ステップのプロセにおいてポスト積層化機械加工すると、チップが捕捉される結果が生じ、この捕捉されたチップを内部のスペーサー層39から物理的に除去できるようにするには、高度の技術に拠らなければならない。
4)ポスト積層化機械加工
次に、デバイス26を、積層体31における周囲のフレーム構造から取り外すために、積層体31を機械加工する(例えば、タブをレーザーで切断する)。いくつかの実施形態においては、デバイス26を外部のフレーム(積層体31においてデバイス26を取り囲むフレーム)から切り離すことに伴わない付加的な機械加工は、積層化後に行うように留保される(例えば、柔弱な層は積層化後により良好に支持されるので、構造的に柔弱な層、或いは、何らかの他の理由で精密に配列できない層のポスト積層化機械加工がそれに該当する)。
5)ポスト積層化処理
ポスト積層化処理は、曝露層に対するメッキ又は被膜処理を包含できる。及び/又は、ポスト積層化処理は、例えば、図10に示すように、後段の継手「締結(locking)」ステップ用としてのハンダペーストのような材料の、シルクスクリーン印刷法又は他の何らかの方法による追加を包含することが可能である。追加の構成要素は、ピックアンドプレース方式によって積層体31に取り付けることができる。ピックアンドプレース操作は、加圧積層化の前に、積層材29の中に別々の構成要素を挿入するのに用いることができる。
例えば、電気活性材料のような刺激反応性材料24を、アクチュエーターとして機能するように、層の間に差し込むことが可能である。一実施形態においては、チタン酸ジルコン酸鉛の圧電プレート24が、炭素層12におけるバネクリップ25の上に装着される(図8に示される)が、これは、デバイス内部における機能的なバイモルフカンチレバーアクチュエーターを作出することが示された。この方法で、非常に広範囲の別々の構成要素、例えば、ミラー又は他の光学素子、マイクロ電気機械システム(MEMS)、個別センサーなどを差し込むことができる。代替的に、これらの構成要素を、更に早期に−例えば、積層化の前に、積み重ねプロセスのいずれかの時点で−付加することができるか、或いは、引き続くデバイスの組み立て後に付加することが可能である。
加圧積層化及びレーザーマイクロ機械加工は複数の時点で実施可能である。例えば、5層をレーザーマイクロ機械加工し、続いて加圧積層化し、更に続いて再度レーザーマイクロ機械加工することが可能である。別の3層を、別個にレーザーマイクロ機械加工し、続いて加圧積層化し、更に再度レーザーマイクロ機械加工できる。続いて、この2つの部分積層材を、9層の最終的な積層材にするために、単一の接着層をその間に挟み込んで一緒に加圧積層化することが可能である。
6)各部品における組み立て自由度の解放
次に、各部品における機能的な構成要素を「取り外す(release)」ために、得られた積層体をレーザーマイクロ機械加工でき、かつ/又は、スクラップ材料を積層体から取り除くことが可能である。積層化されたままの部品は折り曲げ解除されており、多くの能動的及び受動的機械自由度を有することができる。但し、いくつかの実施形態においては、これらの非組み立て自由度を、組み立て折り曲げプロセスの間拘束することが有利である。例えば、屈曲リンク機構の要素を、−リンク機構が曲がるのを防止するために、−その要素に沿う剛性の棒状要素によって、或いは、その要素と周囲構造との間の一体的ブリッジを形成する固定タブによって、所定位置に保持(即ち締結)できる。組み立て自由度を拘束するこのタブ又は他の形体は、機械加工プロセス(例えば、打ち抜きダイ又はレーザー切断)によって切断される。
7)組み立て
製作されたままの状態のmobeeは、限定された3次元構造を有する平坦な多層積層体とすることができる。その構成要素は、完全な最終的3次元トポロジーを実現するためにさまざまな組み立て軌跡を経る。「組み立て用骨格(assembly scaffold)」と呼称される同時製作される機械的動力伝達装置が、全てのこれらの組み立て軌跡を単一の自由度に連結する。mobeeは、この製造プロセスから3自由度の機械として出現するが、組み立ての間は、内部の機械的結合のために、この能動的自由度は除外される。結果として得られる機構は、完全な3次元トポロジーを1つの動作で生じさせるために、ポップアップ絵本における紙の折り曲げによって作出される場合に類似して、137個の折り曲げ継手を用いている。
mobee26の組み立て体は、組み立て用骨格19の2つの平行プレート42及び43を包含できる。この2つの平行プレートの1つはそれぞれリンク機構の副積層体35及び37から構成され、この2つの平行プレートは、機械的に連結されて、Sarrusリンク機構67を形成する。このプレート42及び43は、mobeeの機械的構成要素を取り囲み、その法線軸に沿ってプレート42及び43を分離する単一の直線自由度に制限される。プレートの分離によって駆動される内部のリンク機構44及び45は、mobeeの各中核構成要素に結合され、図9a及び9bに示すように、全ての所望の組み立て軌跡を実現する。骨格19の頂部の水平に向けられたプレート42が持ち上げられると、内部のリンク機構がmobeeの組み立て折り曲げを駆動する。
Sarrusリンク機構の組み立て用骨格19は、単一の自由度に一緒に連結された種々の組み立て動作を作出する多目的のフレーム構造を提供する。リンク機構の平面内における任意の軸の回りの広範囲の角度への回転を、適切に設計された内部のリンク機構によって実現できる。また、mobeeは、翼28及びアクチュエーター24を、折り曲げ組み立ての間回転することなく3つの別個の円弧に沿って平行移動させるための更に複雑な内部リンク機構をも組み込んでいる。
組み立て用骨格19の1つのプレート42/43は、対向するプレート43/42を分離するために、固定されたプレートのクリアランスホールを通して6個の合わせピン20を押し込む外部の治具に固定される。骨格のプレート42及び43を分離すると、単一自由度の折り曲げ組み立てが開始され、mobeeの構成要素がその最終的な3次元形態に組み上がる。折り曲げが完成すると、種々の機械的要素が干渉して、継手の停止状態が作出される。1つの骨格プレート42/43のタブを、手動で折り曲げて、対向するプレート43/42のスロットに差し込むことができる。これによって、組み立て用骨格19をその折り曲げられた状態に保持する支持パイロンが作出され、組み立て用骨格19を外部治具から取り外すことが可能になる。
最終デバイス26の組み立て(リンク機構44及び45を多重平面に折り曲げ解除する操作を包含する)は、外部操作によって手動で実施できるか、或いは、組み立て操作を自発的に生じさせることができる。自発的組み立ての場合には、1つ以上の層に予備ひずみを加えると、その予備ひずみ層を弛緩させることによって、組み立て自由度が解放されると直ちにデバイスの組み立てを生じさせることができる。予備ひずみが加えられる層は、例えば、バネ鋼又はスプリングになり得る他の材料から形成されたパターン化スプリングとすることができる。後者の材料としては、超弾性ニッケルチタン合金(nitinol)、或いは、焼きなまし又は劣化なしに積層化の条件を耐え得る弾性材料が挙げられる。合わせピンと、予備ひずみ層におけるピン配列穴とは、予備ひずみ層が積層化を通して積み重ね体の中にある時にこの緊張を維持するように構成できる。予備ひずみは、例えば張力又は圧縮の形態にすることができるが、圧縮の場合は、リンク機構が面外に座屈する傾向を考慮しなければならない場合もある。
他のいくつかの実施形態においては、組み立てを効果的に行うために、アクチュエーターを積層体の中に構築することが可能である。例えば、圧電曲げアクチュエーター、形状記憶層、又は他のタイプのアクチュエーターを、ピックアンドプレース構成要素として構造の中に積層化でき、或いは、積層材29における層の一体的な部分として差し込むことが可能である。アクチュエーターは、拡開された3次元構造26を組み立てるために、例えば電流供給によって、又は温度変化によって作動させることができる。一実施形態においては、アクチュエーターは、2枚の127μmのニッケルメッキされたチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)圧電プレート(Piezo Systems,Inc.社のPSI−5H4E)を包含するバイモルフカンチレバーである。この圧電プレートは、下流側の締結プロセスの間の保護とするためにクロムで被膜処理され、中央の炭素繊維層に接合される。炭素繊維層12又はチタン層41における準運動学的に適合する形体と、平面状のスプリングクリップとが、積層化の間、各プレートを所定の配列位置に保持できる。
いくつかの実施形態においては、組み立てが部分ごとにではなく全パネルに対して平行に進行するように、全ての部品の組み立てを単一の組み立て自由度によって作動させるのが有利である。組み立ては、部品の構成及び複雑さに応じていくつかの方法で効果的に実施できる。例えば、操作者が組み立て自由度を、手動で又は半自動で作動させることができる。一実施形態においては、組み立て自由度は、Sarrusリンク機構67に結合されるプレートであって、図9a及び9bに示すように引き上げられ又は押し下げられるプレートの形態である。球状継手又は四棒機構をSarrusリンク機構に取り付けて、他の構成要素をその3次元位置に上昇させかつ折り曲げることができる。多重の剛性−可撓平面層と、選択的接着部とを有することによって、複雑な機構と、機構の集まりとを組み立てのステップにおいて解放できることに留意されたい。
8)組み立て部品の継手の締結
最終的な3次元構造に組み立てた後、構造部材は、固定された形態に一緒に接合できる(即ち、締結、固定又は凍結)。一実施形態においては、接着剤を、手動で構造部材及び/又は継手に塗着できるが、この方法は、多数の部品を作製している場合は理想的ではない場合がある。代わりの方式として、締結された継手を一緒に形成することになった隣接部材を自動レーザー溶接することが可能である。隣接部材45及び46がその上に金属パッド17(例えば真鍮製)を有していると、ウェーブハンダ付け又は浸漬ハンダ付けによって、部材間に強固な隅肉接合48を形成できる。代わりの方式として、積層体に組み立てる前に、例えばスクリーン印刷法によってハンダペーストを塗着できる。続いて組み立て後に、高温炉内における再流動ステップによって接合が作出される。他の変形態様は、2成分接着剤の使用などを包含する。
一実施形態においては、mobee26は、図10aに示すように、かつ図10aにおける矢印で示すように、そのリンク機構の副積層体の外面全体に分布される52個所の真鍮パッド47を包含する。折り曲げた後、異なるリンク上のパッドが、図10c及び10dに示すように直角に向き合う2つのパッド47か、或いは、立方体の角を形成する3つのパッドのいずれかの形態の24個所の「接合点(bond points)」に配列される。この構造を、その折り曲げられた状態に保持したまま、水溶性のフラックス(例えばSuperior Supersafe No.30)の中に浸漬し、続いて炉内において100℃で10分間予熱し、次に、260℃のスズ−鉛共晶ハンダの中に約1秒間浸漬する。最後に、この構造を、水溶性フラックスの残渣を除去するために、脱イオン蒸留水中で超音波清浄化する。このハンダ付けプロセスの結果、全ての接合点に、図10dに示すようなハンダの隅肉48が形成される。この隅肉48によって、組み立て自由度が取り除かれ、全ての別々の機械的構成要素が一緒に締結される。
9)非組み立て自由度の解放
部品26における任意の非組み立て自由度は、それを拘束している任意の形体(例えば結合タブ)を例えばレーザー機械加工により取り除くことによって解除できる。
10)スクラップフレームからの部品の分離
この段階で、個々の部品が完全に組み立てられ、運転する準備ができたので、部品26を、骨格19のスクラップフレーム(例えば、部品が材料のブリッジによって結合されている外側フレーム)から、レーザー機械加工、打ち抜きなどによって分離できる。
以上述べた15層によるこの技術によって製作した、PARITy駆動トレインを有する別のモノリシックな「ロボット蜂(robotic bee)」、「ロボ蜂(robobee)」又は「mobee」が、ポップアップ組み立て前の(即ち平坦に横になっている)状態で図11に示されている。寸法比較のため、米国の1セント硬貨がロボット蜂26の横に置かれている。ポップアップ後のロボット蜂26は図12に示される。
mobee26の別の実施形態の斜視図が、図13〜20の写真画像に示される。この場合、mobee26は、周囲の組み立てフレーム19(六角形のベースプレート50と、その上部に持ち上げられたより小さい嵌め込みプレート51とを包含する)を含む中央領域に、接合及び積層化の後製造される(図11に示すような)平坦な形態から折り曲げ解除された後の状態で装着されている。最終的に取り外されたmobeeが、寸法比較のための米国25セント硬貨と並べて図20に示されている。図20に見られるように、mobee26は、機体27と、継手によって分離されるリンク機構であって駆動トレインを形成する複数のリンク機構と、飛行するための1対の翼28と、圧電バイモルフカンチレバーアクチュエーター14と、アクチュエーター24を駆動トレインの残りの部分と連結する入力プラットホーム及び動力伝達装置49とを包含する。
mobee26における持ち上げられた平面は、例えば次のような方法によって形成される。即ち、多層内に3つの交差する直交切断部を作製して、垂直方向に延びるように90°折り曲げることができる機械的ビアを形成し、かつ、3次元組み立ての後に層間の結合を維持するように機械的ビアの端部で層を接合する方法によって形成される。mobee26の回りに明白に見られる長方形の空所(図13〜19に示される)は、機械的ビアがベース平面から折り曲げられる時に残される。mobee26は、継手の締結後にフレームからレーザー切断されるであろう。この実施態様は、チタン製の生体模倣の翼桁52を組み込んでおり、かつ、デバイスを浸漬ハンダ付けする際に継手を締結するように、例えば12.5μmの厚さの真鍮パッドを折り曲げ位置において組み込んでいる。チタンは、マイクロ機械加工によって生じた曲がりを低減又は除去するために、組み立てに先立って平坦にクランプして、550℃で1時間、応力除去することが可能である。翼の膜は、プロセスの後段のステップで追加されるであろう。mobee26は、高剛性かつ軽量の構造構成要素としての炭素繊維構成要素12と、弾性屈曲材としてのポリイミドフィルム16と、頑丈かつ複雑な翼桁52用としてのグレード25のチタン合金41と、自動継手締結のためのハンダ付けパッド47用の半硬真鍮とを包含する。
モノリシック蜂26の別の一実施形態においては、いくつかの追加概念が実行される。即ち、層の共有、取り外し後の翼膜成形、及び浸漬ハンダ付けパッドである。
このデバイスは10個の構造層と8個の接着層とを有する。その積層材は次の順序で積み重ねられている。
継手の締結を容易にするための浸漬ハンダ付けパッド
1)半硬真鍮、25.4μm厚さ
2)接着剤
リンク機構1
3)炭素繊維
4)接着剤
5)カプトン
6)接着剤
7)炭素繊維
8)接着剤
スペーサーとしての単独炭素層
9)炭素繊維
10)接着剤
リンク機構2
11)炭素繊維
12)接着剤
13)カプトン
14)接着剤
15)炭素繊維
16)接着剤
継手の締結を容易にするための浸漬ハンダ付けパッド
17a)半硬真鍮、25.4μm厚さ
翼桁
17b)グレード9又は25のチタン合金、50.8μm厚さ
初期設計の層1〜13は、モノリシック蜂のこの実施形態においては、層3〜15として出現する。この新しい実施形態においては、層1及び2は、ハンダ付けパッドがデバイスの底面上に置かれるのを可能にし、一方、層16及び17aは、ハンダ付けパッドがデバイスの頂面上に置かれるのを可能にする。
六角形の骨格プレート50と、その上部に平行に浮かして支持されるそれより小さいプレート51であって、その内部に蜂26がリンク機構によって浮かして支持される(図13〜19に見られる)プレート51とが、Sarrusリンク機構67を形成し、いくつかのリンク機構を結合することによって、1つの自由度を有するように拘束される。より小さいプレート51は、六角形のプレート50から上方に直線的に平行移動することが可能であり、これが組み立て自由度である。蜂26の全ての構成要素は、リンク機構によってこれら2つのプレートと結合されており、これらのリンク機構を切断して蜂26を取り外すために、レーザーを後刻に使用できる。Sarrusリンク機構を作動させると、蜂26の各個別の構成要素が、その所要の最終形態に折り曲げられる。
層の共有
上記の概要においては、最上層の真鍮40とチタン41の層(それぞれ層17a及び17b)との間には接着層は存在しない。これら2つの副層は同じ層を共有していると考えることができる。それは、それらが重なり合っていないからであり、また、両者が、接着層14(上記の概要では層16)、例えば接着剤と係合して、炭素繊維層12(上記の概要では層15)と接合しているからである。
層の共有を実現する2つの方法は次のように記述される。第1の場合は、多層が、x−y平面において重なり合いの面積を有しないことである。例えば、4個の配列ピン26を用いることができる。真鍮層40(17a)は、デバイスの全面積の1/2をカバーし得るが、一方、チタン層41(17b)は残りの1/2をカバーできる。真鍮40はハンダ付けパッド47の形成に使用でき、一方、チタン41は翼桁52の形成に用いることができる。各副層(17a及び17b)は、4個の配列ピン20の内の丁度2つと係合できる(即ち、2つのピンは真鍮の副層(17a)と係合し、残りの2つのピンはチタン副層(17b)と係合する)。極端な場合を考えると、各副層が十分な個数の配列ピンと係合されれば、層を多数の副層に分割できる。例えば、6個の副層を有する単一の層をニューイングランド(New England)の地図のように見ることができる。この場合、各州が異なる材料から作製され、各州に2つの配列ピンが設けられる。
層の共有を実現する第2の方法(モノリシック蜂のこの実施形態において実施される)は、下側から支持されない層に圧力を印加して、その層を下部の空間内に曲げ込む方法である。基本的に、薄い層に大きな穴が切開される場合、その薄い層のすぐ上部(又は下部)の層への圧力印加を、その隣接層を穴の端部の回りに反らせかつ曲げて穴の中を埋めるように設計できる。この実施形態においては、真鍮層40(17a)は全積層体面積をカバーしているが、大きな翼形状の穴(図21の白い輪郭線54によって示される)を有するように機械加工される。チタン層(17b)は真鍮層40(17a)の頂部に積み重ねられる。翼桁のパターン52がチタン41の中に機械加工され、その場合、ブリッジが翼桁52をチタンのバルクシートに結合する。名目的には、この翼桁のパターン52は、真鍮層40の切開された穴の上部に浮かして支持される。しかし、チタン層41は、積層化の圧力が印加されるとそれが僅かに曲るように設計される。それによって、圧力が印加されると、翼が、真鍮層40の穴を通して接着層(16)と係合できるようになる。
浸漬ハンダ付けパッド
浸漬ハンダ付け用の真鍮パッド47は、図12〜19(特に図18)に示されるモノリシック蜂の画像に明らかである。真鍮パッド47は、金色であり(継手を形成する明るい黄色のポリイミドフィルムと対称的に)、アクチュエーター24の基部の近傍に多くの長方形のパッド47を見ることができる。このデバイスを、フラックスに、続いてハンダに浸漬して、密着近接している全ての真鍮パッド47にハンダの隅肉48を形成させ、mobee26における組み立て自由度を締結する。この締結が完成すると、内部のmobee26が大きな周囲の組み立て機構から切り離される。
翼膜の積層化
初期積層化、ポップアップ組み立て及び継手の締結の後、モノリシック蜂26の翼桁52の上には膜は存在しない。いかなる膜53も浸漬ハンダ付けプロセスを経て残存することは困難だからである。mobee26は、周囲のSarrusヒンジ組み立て機構67から取り外されるが、その能動自由度はまだ解放されていない。続いて、mobee26に、翼桁52を2枚の1.5μmのポリエステルフィルム(熱可塑性プラスチック)の層の間に挟み込む第2の積層化ステップを実施する。熱及び圧力(例えば、120℃、340kPaで15分間)によって、2枚のフィルムが相互に接合されて翼桁52に密着し、そして、それによって、膜53が形成される。続いて、デバイスをレーザー装置の中にセットして、翼の輪郭線54を切断する。その時になって初めて、蜂26の能動自由度が解放される。結果として得られる翼28が図22に示される。
11)運転
圧電アクチュエーター24に3本のワイヤを手動で取り付けると、mobee26の運転準備完了である。圧電アクチュエーターに振動電圧を印加すると、例えば100Hzの翼28の往復動の羽ばたき運動が生じる(図19)。完成した機械としてのmobee26は、初期のHarvardマイクロロボット飛行体(Harvard microrobotic fly:HMF)に構造的に類似している可能性があるが、mobee26は、その作製に用いられる製造プロセスの精密さとスケーラビリティとの点で優れている。
B)追加の実施形態
剛性−可撓の回路基板構成に類似の屈曲機構及び組み立て折り曲げ部が、剛性層及び柔軟層の交互のパターン化及び積層化から生じる。発明者らは、超平面トポロジーの概念によってこの方法を拡張する。即ち、接着層をレーザーでパターン化して、多重の剛性−可撓平面層の間の選択的な機械的結合を可能にする。この「機械的ビア(mechanical vias)」によって、Sarrusリンク機構のような、作業面に垂直に作動し得る複雑な多層機構の作出が可能になる。この場合、デバイスの構成要素は別個の平面層の上に載ることができ、折り曲げの間の干渉が低減されると共に、単一の平坦なパターンの場合に可能なものより大きな複雑性が可能になる。以下に、その可能性を示すために、製作方法の詳細を説明すると共に3つの事例部品を提示する。提示される最後のデバイスは、部品積層体の中に予備ひずみ層を導入することによって、自己組み立てを実現している。
プロセスは多層積層体の作製によって開始される。各層は、最初に、部品の形状を規定するためにバルク機械加工される。(機械加工後の)層は、各層の構造的一体性を保存するために、かつ、各デバイスの構成要素から配列ピンへの結合をもたらすために連続した状態のままである。殆どの形体は、部品を周囲のバルク材料に結合する小さいタブ又はブリッジを残して機械加工できる。このタブ又はブリッジは、パネル化された回路基板における、或いは、プラスチックの模型キットに見られる部品パネルにおける折り取りタブに類似している。後段のステップにおいて、第2回目の機械加工によって、個別の部品が解放される。層の材料に適合する機械加工方法であって、特定用途の精度要求を満たす、例えば、深掘り反応性イオンエッチング(deep reactive ion etcing:DRIE)、光化学機械加工及び電鋳法(金属用)、レーザー機械加工、及び打ち抜きのような任意の機械加工方法を用いることができる。
発明者らの研究目的のために、発明者らは、そのマスクレス特性と、広範囲の材料に対する適合性との点から、レーザーマイクロ機械加工を使用し、Qスイッチ型及び355nmに周波数が3倍化されたNd:YVO4DPSSレーザーを採用した。レーザーの最大平均出力は約1.5ワットであり、発明者らは、これが1〜150ミクロンの厚さ範囲の層を機械加工するのに十分であると見做した。ビームは、テレセントリックレンズ系を用いて、直径約8ミクロンのスポットに集束した。ビーム/部品位置決めの全範囲精度及び再現性は2ミクロン又はそれより良好であった。このタイプのレーザーは、ガラス及び355nm放射の透過性が高い他の材料を除いて、殆どの材料を容易に機械加工する。
各層を機械加工した後、電気研摩、超音波清浄化及びプラズマ処理のような任意選択のステップを、各層の積層化の準備用として実施することができる。剛性のプリント回路基板(printed−circuit−board:PCB)の製作においては、回路層は、通常、予備含浸ガラス繊維−エポキシ複合材シート(プリプレグ(prepregs))又は接着ボンドプライ層を交互配置して接合される。この作業のため、発明者らはアクリルのシート接着剤を用いた。この接着剤は、ボンドプライ(2面上)又はカバーレイ(片面上)積層体を形成するためにポリイミド(又は他のポリマーの)フィルムを被膜処理するのに最も一般的に用いられているが、独立のシート形態においても利用可能である。PCBシート接着剤は、調整された熱膨張特性を有しかつ接合サイクルの間に殆ど流動しない高度の技術による材料である。発明者らは、0.0005インチ(12.5ミクロン)厚さのDuPont社のFR1500アクリルシート接着剤を用いた。最初に、アクリルシート接着剤を、配列穴を有するように機械加工し、第2に、アクリルシート接着剤を、独立層として積み重ね体に追加するか、或いは代替的に隣接層にタックボンド接合した。いずれの技術の場合も、接着剤のパターン化にはレーザー機械加工を用いる。他の接着剤又は接着方法も使用可能であるが、発明者らは、このタイプの接着剤が有する特性の組合せが、MEMSスケールのマイクロ製作に適していると見ている。
図23は、積み重ねた積層体と、この作業に用いられる配列工具とを示す。部品層は側面で25mmである。各外層66は、圧力分布を可能にする共形の取り外し用層を表す。この外層66の間に、次の各層が底部から頂部への順序で積み重ねられる。即ち、炭素繊維層12、接着層14、ポリイミドフィルム16、接着層14、予備ひずみ化バネ鋼層68、接着層14、ポリイミドフィルム16、接着層14、及び炭素繊維層12である。炭素繊維層12は、約100μm厚さの発明者らの標準の0−90−0の3層積層体である。接着層14は、12.5μm厚さのDuPont社のPYRALUX FR1500であり、ポリイミド層16は、7.6μm厚さのカプトンポリイミドフィルムである。最後に、バネ鋼層68は、0.003インチ(76μm)厚さで、平面スプリングとなるようにレーザー機械加工されている。配列穴は、この層68を、積み重ねの間伸張しなければならないような位置に配置される。これによって、平面スプリングが延伸され、積層体の中にエネルギーが蓄えられる。このスプリングは、デバイスが完成すると、自己ポップアップ組み立てを駆動する。
多重の部品積層材29は、積み重ね体間の剛性の分離プレートを用いて同時に接合することができる。配列の精度は、配列穴22及びピン20の精度、層材料の熱膨張係数(coefficient of thermal expansion:CTE)及び積層体のサイズなどのいくつかの因子によって決定される。発明者らは、配列用として、標準的な精密合わせピン(1/16インチ)と、弾性平均化の利点を享受するために通常数ミクロンだけ小さい配列穴とを用いた。実際には、積層化後の配列は5ミクロンより良好である。正確な数字は、この精度が、発明者らの材料及び機械加工プロセスの材料の均質性と端部の粗さの限界とに近付くので、測定が困難であった。
発明者らは、最初に、きわめて簡単な積層材からかなり複雑な部品を作製することによってこの方法を例証した。即ち、発明者らは、単一の接着層14によって分離されるただ2つの剛性層12によって連鎖チェーン56を作製できる。図24及び25は、簡単な2リンク形態の場合のプロセスを示す。本質的に、2つのインタロックされるリングの輪郭57が各剛性層の中に機械加工される。しかし、それらが重なり合う部分においては、1つの剛性層12(頂部又は底部)は連続し、もう一方は間隙を有する。もう一方の交差部については逆になる。接着層14は、両方の重なり合いの領域において2つの剛性層12の間の接合を防止するように機械加工される。選択的な接着部がこの部品の実現要因である。
レーザー機械加工後に、層を、ピン20によって配列して接合する。この適用例においては、接着層14が独立であることに留意されたい。発明者らは、PCBタイプの(僅か12.5ミクロン厚さの)アクリルシート接着剤が、それ自体を支持すると共に積層材における正確な配列を維持するのに十分な強度及び安定性を有することを見出した。チェーンは、接合後に、輪郭の切断を完成させることによって「単体分離される(singulated)」。このようにして製作された549リンクを含むチェーン56が図26及び27に示されている。剛性層は炭素繊維複合材であり、それぞれ95ミクロン厚さである。これは、シアン酸エステル樹脂を含浸させた一方向炭素繊維の予備硬化0−90−0積層体(プライ当り33グラム/m)から切り出されたものである。この材料は、非常に強く、硬く、かつ軽く、レーザー機械加工が容易で、熱膨張係数が低い。積層化及び単体分離の後、チェーン56は骨格フレーム19から簡単に切り離される。
折り曲げによる構造
チェーン56は、積層化構造において選択的接着を使用する場合に可能な複雑性の良い例を提供している。層の数を増やすと、複雑性がより大きい部品が可能になる。しかし、この3D印刷法はいくつかの限界に逢着する。即ち、部品の厚さが大きくなるにつれて、単体分離の深い切り込みを部品の中に行うことがますます難しくなり、過剰の支持材料を通常除去しなければならず、作業面に垂直に配列される構造要素は、交互配置される接着層によって弱められるのである。本明細書に記述するように、発明者らは、3D構造を作製するための代替方案として折り曲げを探求した。
折り曲げには、折り紙、シート金属構造及び剛性−可撓PCBを包含する多くの例がある。平坦なパターンは、折り目において、切り込み線において、或いは可撓ヒンジにおいて折り曲げられる。発明者らのプロセスにおける平坦なパターンを形成するために、発明者らは、剛性材料から、柔軟な材料で繋がれる狭い間隙によって分離される「リンク(link)」を機械加工する。これらの屈曲部は、組み立て折り曲げ部又は機構の継手として機能する。信じられないほどの複雑な構造が折り紙の折り曲げによって可能であり、現代のアルゴリズムは、3Dモデルから直接折り目のパターンを生成できる。
折り曲げ操作に対する欠点が、通常、組み立ての問題点である。単一の剛性−可撓平面層によって作動する場合は、複雑な形状を形成するには、通常、多数の順次折り曲げ、従って多数の組み立て自由度が必要である。バッチ生産が目標であれば、組み立ては、理想的には、単一の自由度のみを用いて行われるであろう。参考になる例はポップアップ絵本である。ポップアップ絵本においては、単一の回転によって、多くの相互結合された構成要素の折り曲げ及び組み立てがもたらされる。折り紙と違って、ポップアップ絵本の状景は−閉じられかつ折り曲げ解除された場合−多重の折り曲げ層を包含する。本明細書に記述する積層化構成法のプロセスを用いると、同様の構造を作出できる。
「Wright」 flyer号のモデル58が図28〜30に示される。Wright flyer号用の折り曲げ機構の模式図が図28に示され、モデル58の(折り曲げ/ポップアップ前の)写真画像が図29に示される。最後に、Wright Flyer号のモデル58の第1実施形態の斜視画像が、図30において、折り曲げた後(ポップアップ後)の状態で米国25セントの硬貨の上に示されている。
別の一実施形態、即ちスプリング作動する8面の六角形の筺体59の実施形態が図31〜36に示される。具体的には、畳まれた状態(ポップアップ前)及び作動状態(ポップアップ後)の構造95の斜視図が、それぞれ、図31及び32に示されている。畳まれた構造59の上部及び側面から見た模式図が、それぞれ、図33及び34に示され、一方、バネ鋼層68におけるスプリング60の作動によって引張力の下でポップアップしている構造59の側面模式図が図35に示されている。最後に、スプリング機構60の上面図が図36に示されている。
モノリシック正20面体
PC−MEMSポップアップ正20面体62の組み立てが図37〜48に示される。これらの図は、約3秒増分におけるポップアップ組み立てプロセスを示す。2枚の平坦なプレート32を包含する骨格内にかつその骨格によって包み込まれる畳まれた構造が図37に示される。正20面体62は、20個のほぼ同一の三角形の面34を含み、30本の稜線及び12個の頂点を有するほぼ球状の形体に折り曲げることができる。頂部のディスク32を支持する合わせピンは、プレート32間の分離を増大するように、図38〜42において高くされており、その場合、各図の底部には実際の静止捕捉画像が示され、対応するコンピュータ生成画像が上部に示されている。
頂部プレート32’には3つの厚板36が装着され、各厚板36は、1つの折り曲げ部を介して頂部プレート32’に回転可能に装着され、かつ、最上層の三角形の面34’に隣接するそれぞれの三角形の面34に固定される。これは、図43〜48においてよく見ることができるが、これらの図は、ポップアップ組み立てを、表示の明確化のため骨格プレート32を取り外して示している。三角形の面(即ち面34、34’及び34)に対する異なるダッシュ記号は、表示及び特性化を容易にするために付したもので、本明細書における「面(face)34」に対する言及は、これらの面のいずれについても当てはまり得る。
頂部プレート32’が底部プレート32’’に対して上昇すると、厚板36が、下向きに回転して、その厚板36が取り付けられているそれぞれの三角形の面34を、それぞれがその端部の回りに相互結合されている他の三角形の面34と一緒に上方に引き上げる。
正20面体62は、その基部においては、内側の回転可能なディスク38(例えば図41参照)に取り付けられる。この内側の回転可能なディスク38は、下側の骨格プレート32’’上のスロット64の下部に延びる複数の外向きに延びるタブ63を包含し、その下側の骨格プレート32’’は、そのプレート32’’内における往復動軸回転用の平面の線状ベアリングとして機能する。下側の骨格プレート32’’の下面は、下側の骨格プレート32’’におけるそれぞれのスロット64に対向するタブ63を示しているが、この下側の骨格プレート32’’の下面が図50に示されている。但し、この場合、回転可能なディスクを駆動するリンク機構が、理論的には、他のいかなる結合もなしに、ディスクの平面内回転を十分に維持するので、このタブ−スロット構造はバックアップとして機能する。回転可能なディスク38は、下方に延びるリンク機構65の、旋回点を介しての頂部プレート32’からの引き込みによって回転される。各リンク機構65が持ち上げられるにつれて、リンク機構65は、各リンク機構65が連結されるそれぞれのタブ63を、リンク機構65が頂部プレート32’に接合される位置の下方に引き寄せ、それによって、ディスク38をプレート32に対して回転させる。頂部プレート32’を底部プレート32’’の上部に支持するために、付加的な折り曲げ機械的ビア44が設けられる。
この場合、正20面体が組み立てられると、多くの折り曲げは約45°の角度になり、内側のディスク38は、正20面体62が折り曲げ解除された時のプレート32に対して、最終的に約60°だけ平面内に回転する。続いて、得られた構造を、例えば前記のようなハンダ付け技術によって所定位置に締結することが可能である。拡開された骨格内における折り曲げられた正20面体の側面図が図49に示される。
得られた正20面体62は、例えば、カメラシャッターの光学系又はバルーン血管形成術などの多様な用途に用いることが可能である。他のいくつかの実施形態においては、各面34にセンサー(例えばカメラ)を設けて、昆虫のような多方向視野及び認知を実現できる。更に別のいくつかの実施形態においては、ミラー、回路基板及び/又は通信伝送器又は受信機を各三角形の面に装着できる。同様に、多様な他の複雑な形状も、折り曲げ、リンク機構、厚板、面、機械的ビアなどの形態を変更することによって、折り曲げ解除と捩りとを組み合わせて形成することが可能である。
本発明の実施形態の記述においては、明解さを確保するため、特定の用語法を用いている。記述目的のため、特定の用語は、同様な態様で作用して、同様な結果を実現する技術的及び機能的等価物を少なくとも包含するように意図される。更に、本発明の1つの特定の実施形態が複数のシステム要素又は方法のステップを包含するいくつかの例においては、これらの複数の要素又はステップは、単一の要素又はステップによって置き換えることができる。同様に、単一の要素又はステップは、同じ目的に寄与する複数の要素又はステップに置き換えることができる。更に、種々の特性に関するパラメータ又は他の値が本明細書において本発明の実施形態用として特定される場合、それらのパラメータ又は値は、他の形に規定されない限り、1/100、1/50、1/20、1/10、1/5、1/3、1/2、2/3、3/4、4/5、9/10、19/20、49/50、99/100などだけ上方又は下方に、(又は係数1、2、3、4、5、6、8、10、20、50、100などだけ上方に)調整可能であり、或いは、それらの数値を丸める近似が可能である。更に、本発明を、その特定の実施形態を参照して示しかつ記述したが、当業者は、本発明において、本発明の範囲から逸脱することなく、形態及び詳細における種々の置換及び変更をなし得ることを理解するであろう。更にまた、他の態様、機能及び利点も、本発明の範囲内である。即ち、本発明の全ての実施形態は、以上述べた全ての利点を実現すること、或いは、以上述べた全ての特徴を有することを必ずしも必要としない。更に、本明細書において、1つの実施形態に結び付けて言及されるステップ、要素及び特徴は、同様に他の実施形態に結び付けて使用することが可能である。参照文献のテキスト、雑誌論文、特許、特許出願などを包含する本明細書全体にわたって引用される参照文献の内容は、参照によってその全体が本願に組み込まれ、これらの参照文献からの適切な構成要素、ステップ及び特徴を、本発明の実施形態の中に包含させることができ、或いは、包含させなくてもよい。また、更に、背景技術の項に特定した構成要素及びステップは、本開示に統合されており、本開示の他の個所で記述される構成要素及びステップと連携して、或いはそれに置き換えて、本発明の範囲内において用いることができる。特定の順序において段階が列挙される方法に関わる請求項においては、参照を容易にするための順序の記号が付されていてもいなくても、その段階は、それが列挙される順序に時間的に制限されると解釈されるべきではない。この点は、そうでない旨規定されない限り、或いは用語及び表現法によってそれが含意されない限り、そうである。

Claims (27)

  1. 3次元構造の製作方法において、
    複数のパターン化された層を積み重ねて、層間の複数の接合部を含む積層体構造を形成するように、前記複数のパターン化された層を選択された位置において接合するステップと、
    前記積層体構造を、前記層間の接合部の少なくともいくつかを維持しながら、層間に間隙を生成するように少なくとも1つの層を選択的に変形させることによって、拡開された3次元の形態に拡開するステップと、
    を含む、ことを特徴とする方法。
  2. 3次元構造の製作方法において、
    全く異なるパターンを有する複数の層を作製するステップであって、前記層は、少なくとも1つの剛性層と少なくとも1つの可撓層とを包含し、その場合、前記剛性層は前記可撓層より少なくとも10倍高い剛性を有する複数の剛性セグメントを包含する、ステップと、
    前記複数の層を積み重ねて、層間の複数の接合部を含む積層体構造を形成するように、前記複数の層を選択された位置において接合するステップと、
    拡開された3次元構造を作製するために、前記積層体構造を、前記剛性セグメントの間の継手において曲げるステップであって、前記選択された接合位置においては、前記層が接合され、他の位置においては分離されている、ステップと、
    を含む、ことを特徴とする方法。
  3. 請求項2に記載の方法において、前記複数の層が、前記剛性層を前記可撓層に接合する少なくとも1つの接着層を更に含む、ことを特徴とする方法。
  4. 請求項3に記載の方法において、前記接着剤がBステージのアクリルのシート接着剤である、ことを特徴とする方法。
  5. 請求項2に記載の方法において、前記複数の層を、合わせピンを前記層における配列オリフィスに通して積み重ね、かつ、圧力によって接合する、ことを特徴とする方法。
  6. 請求項2に記載の方法において、前記層を積み重ねる際に、層間に少なくとも1つの追加の構成要素を差し込むステップを更に含む、ことを特徴とする方法。
  7. 請求項6に記載の方法において、前記追加の構成要素が刺激反応性の材料を包含し、この刺激反応性の材料は、この刺激反応性の材料が接合されるカンチレバー用のアクチュエーターとして機能し、更に、前記刺激反応性の材料は電源に電気的に接続される、ことを特徴とする方法。
  8. 請求項7に記載の方法において、前記刺激反応性の材料が圧電プレートである、ことを特徴とする方法。
  9. 請求項2に記載の方法において、前記拡開された3次元構造を形成するための曲げるステップの後、前記構造における少なくとも1つの継手を締結するステップを更に含む、ことを特徴とする方法。
  10. 請求項9に記載の方法において、前記締結されるべき継手において前記剛性層にフラックス化金属を被膜処理するステップと、前記継手を締結するために前記フラックス化金属にハンダを塗着するステップとを更に含む、ことを特徴とする方法。
  11. 請求項9に記載の方法において、前記継手を締結するために、前記締結されるべき継手に接着剤を塗着するステップを更に含む、ことを特徴とする方法。
  12. 請求項9に記載の方法において、前記構造が剛性セグメントを接合する少なくとも1つの犠牲ブリッジを含み、前記方法が、前記剛性セグメントを変位させるための少なくとも1つの追加自由度を解放するために、前記継手を締結するステップの後で前記犠牲ブリッジを切断するステップを更に含む、ことを特徴とする方法。
  13. 請求項2に記載の方法において、前記積層体構造の少なくとも1つの層が、予備ひずみを付与された屈曲スプリングを包含する、ことを特徴とする方法。
  14. 請求項13に記載の方法において、前記屈曲スプリングがバネ鋼の層を含む、ことを特徴とする方法。
  15. 請求項13に記載の方法において、前記積層体構造が、前記積層体構造の折り曲げを防止する少なくとも1つの犠牲ブリッジを包含し、前記方法が、前記犠牲ブリッジを切断することによって前記スプリング中のひずみを解放するステップを更に含み、このひずみの解放が、前記3次元構造を1つの組み立て自由度でもって自己組み立てする折り曲げ動作を作動させる、ことを特徴とする方法。
  16. 請求項2に記載の方法において、前記拡開された3次元構造における少なくとも2つの層が、100μm〜10mmの範囲の距離だけ前記層間の接合部から離れて分離される、ことを特徴とする方法。
  17. 請求項2に記載の方法において、前記層の少なくともいくつかが1.5μm〜150μmの範囲の厚さを有する、ことを特徴とする方法。
  18. 請求項2に記載の方法において、前記剛性セグメントを形成するために、前記剛性層をレーザーで切断するステップを更に含む、ことを特徴とする方法。
  19. 請求項2に記載の方法において、前記積層体構造が、フレームと、最終製品を作製するために曲げられる少なくとも1つの構造とを包含し、かつ、前記フレームと、前記最終製品を作製するために曲げられる前記構造とは少なくとも1つの犠牲ブリッジによって接合され、更に、前記方法が前記犠牲ブリッジを切断するステップを更に含む、ことを特徴とする方法。
  20. 請求項19に記載の方法において、前記積層体構造が、最終製品を形成するために曲げることが可能な複数の構造を包含し、その複数の構造のそれぞれは、少なくとも1つの犠牲ブリッジによって前記フレームに接合され、その犠牲ブリッジを切断することによって前記フレームから取り外される、ことを特徴とする方法。
  21. 請求項2に記載の方法において、前記剛性層が導電回路で被膜処理される、ことを特徴とする方法。
  22. 請求項2に記載の方法において、前記拡開された3次元構造が少なくとも1つのIビームを含む、ことを特徴とする方法。
  23. 請求項22に記載の方法において、複数の剛性層が、パターン化され、かつ積み重ねられることを特徴とする方法。
  24. 請求項22に記載の方法において、複数の可撓層が、パターン化され、積み重ねられ、かつ曲げられる、ことを特徴とする方法。
  25. 3次元構造用の積層体の前駆構造において、
    切り込みによって分離される複数の剛性セグメントを形成するために全厚に及ぶ切り込みを包含する複数の剛性層と、
    前記剛性セグメントより剛性が大幅に低い複数の可撓層であって、各可撓層は、折り曲げ用の継手を形成するように前記剛性層における切り込みにおいて曝露されるように、少なくとも1つの前記剛性層に接合される、複数の可撓層と、
    を包含する複数の層の配列された積み重ね体を含み、更に、
    前記積層体が前記継手において折り曲げられる時に前記積層体の拡開された3次元構造への拡開を可能にするために、少なくともいくつかの層が、層間の接合部のアイランドを形成する選択された位置においてのみ隣接層に接合される、
    ことを特徴とする積層体の前駆構造。
  26. 骨格内における拡開及び回転用として装着された複数の相互結合面を利用する3次元構造の形成方法において、
    前記骨格を拡開するステップと、
    少なくとも1つの前記面を前記骨格の拡開によって持ち上げるステップと、
    少なくともいくつかの前記面を前記骨格の拡開によって回転させるステップと、
    結果的に生成された3次元構造における前記持ち上げられかつ回転された面を締結するステップと、
    を含む、ことを特徴とする方法。
  27. 請求項26に記載の方法において、前記3次元構造が正20面体である、ことを特徴とする方法。
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