JPWO2016110908A1 - 立体構造を提供する立体基板および電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】 複数のパーツを組み合わせて電気回路を構成させたときに、電子回路基板とは異なる形態の立体構造を提供する、立体基板および該立体基板から構成した電子機器を提供すること。【解決手段】本発明の立体基板は、電子回路を３次元化することにより立体構造を構成するパーツを構成する。このパーツは、少なくとも１つの電子部品と、当該電子部品をパーツ外に電気的に接続するための電気的接続構造とを備えている。このパーツは、組み合わせることにより、前記パーツとは異なる３次元形状の電子機器を構成する。本発明によれば、デザインも形のままの立体基板を提供することができる。【選択図】 図１

Description

本発明は、電子回路基板の立体化に関し、より詳細には、複数のパーツを組み合わせて電気回路を構成させたときに、電子回路基板とは異なる形態の立体構造を提供する、立体基板および該立体基板から構成した電子機器に関する。

従来、電子回路を形成するための基板、は板状の形態とされ、板状から家電等のデザインが制限され、また電子回路の面積は、基板面積により制限を受ける。図１４には、従来の配線基板の概念図を示す。従来のコード配線では、コードＨおよび電子部品Ｊが煩雑に絡み、多層基板は層の間を移動するため、部品の上部等の直線的な回路を引くことができない。さらに、コード配線はユニバーサル基板にて、縦横斜めの配線が可能だが、部品が平面上に固定されているため、コードも必然的に面に沿い、３次元にはならない。また、基板としては、複数の回路構造を絶縁性樹脂などにより分離して相互に接続した多層化基板等も知られている。多層化基板は、回路構造を重ねて多層を作り出しているが、多層基板は、あくまでも基板の機能を提供するだけで、基板の形状ではない立体構造を提供するものではない。

電気製品の完成デザインは、従来、電気回路などを内部に収容するため、制限される場合も多く、また大型化する傾向にある。このため、同一形状であっても、内部の利用容積拡大と、より自由な発想とのため基板の構成を変更することが望ましい。また、従来のコード配線よりも、より直線的で３次元的に交差可能に配線ができれば、部品も基板に対して、位置を縛られることなく、立体的に部品の固定が可能となり、空間全体を有効利用して部品を配線することが望ましい。以上の通り、立体基板から電子回路を構成させたときに、基板とは異なる立体構造を提供する技術がこれまで必要とされていた。

本発明は、プリント基板を使用せずとも構成でき、立体形状そのものを回路化することで、立体基板を組み立てて電子回路を構成させたときに、例えば玩具、調度品、その他基板とは異なる機能を提供する立体構造を提供する技術を提供することを目的とする。

本発明は、完成デザインの機械内部の空間からレンス等、他素材等、構成部品を除いた空間を基板と捉える。本発明者らは、回路を構成するものは基板自体ではなく配線であることに着目し、配線をよりデジタル的に物体に取り込ませることができれば、基板形状などの制限されることなく、より柔軟に電気回路および当該電気回路を含む電子機器が提供できる着想に至り、本願発明を完成させたものである。

すなわち、本発明によれば、
電子回路を３次元化することにより立体構造を提供する立体基板であって、前記立体基板は、少なくとも１つの電子部品と、当該電子部品を第２の立体基板に電気的に接続するための電気的接続構造とを備える、立体基板が提供できる。

前記立体基板は、前記立体構造を提供するためのパーツとされ、前記パーツが複数組み合わせて接続されることにより、前記パーツとは異なる形状の電子機器を構成することができる。さらに、前記立体基板は、空間的に連続する隣接する前記立体基板を立体基板の間にわたって電気的接続するためのコネクタを備えることができる。

前記立体基板は、前記電子部品および電気的接続構造を、前記立体基板が組み立てられた場合に内側となる側に保持し、前記電子部品および電気的接続構造を外部から視覚的に遮断して前記立体構造を構成することができる。

さらに本発明によれば、少なくとも１つの電子部品と、当該電子部品を外部に電気的に接続するための電気的接続構造とを備える立体基板を、３次元的に組み立てることによって立体構造とした電子機器が提供できる。

また、前記立体基板は、前記電子部品をその中空な内部領域に収容するか、または前記電子部品を前記立体基板に形成された前記電子部品を収容するための凹部に収容することができる。

電子機器の内部を回路空間として使用し電子回路自体を立体化させることにより、電子機器内部で電子部品を縦、横、斜め等の配線が可能になり、電子回路を提供する部分の容量を拡大することができる。電子部品の上に別の部品を重ねることや、配線を引くことも容易となり、さらに回路を複数のパーツに分離して形成する。そしてパーツを電気的な接続を提供するように相互に組み合わせることにより、複雑な回路や球体等の変則的な形の電子機器を提供することができる。基板が板状でなくなるため、機械の形もデザインの要求に柔軟に対応可能とすることができる。

本発明の立体基板および電子機器の説明図。 図１Ａ１部の拡大図。 図１Ａ２部の拡大図。 ピンと、ランドとからなる、はめ込み式のコネクタの実施形態。 ピンと、ランドとからなる、接触式のコネクタの実施形態。 内部が空洞でパイプ状の骨組みを用いる立体基板および電子機器の実施形態。 配線の周りを樹脂等で固めたコネクタの実施形態を示す断面図。 図７のＤ１で示すコネクタの斜視図。 パーツ組み立て方向の概念図。 パーツを組み付けるときの土台の実施形態 上方向から組み付けるときの組付け方向の概念図。 配線キューブ留め具のため引っ係り部を形成する実施形態。 角形配線コードの実施形態。 従来の配線基板の概念図。

以下、本発明を実施形態により説明するが本発明は後述する実施形態に限定されるものではない。以下、組付け完了時に電子機器の完成デザインを構成するように立体基板を形成するものとして説明する。立体基板は、例えばコンピュータ・グラフィックスを使用し、空間を基板空間と考え構築する。コンピュータ・グラフィックスは、モデリング時にワイヤ・フレームによりパーツ分けして、仮想線を付した状態のものが描けるが、これをパーツとして、例えば３Ｄプリンタや金型を使用した成型方法などを使用して形成する。これらのパーツに電機部品を実装し、コネクタといった接続部材を使用して元の通りに組み立てることで、現実にも同じ形状電子機器が出来上がる。

立体のパーツ同士を組み合わせるため、必然的に完成系として電子機器自体が立体形状を与える立体基板となる。パーツの立体形状を与える部分は、３Ｄプリンタなどで使用される樹脂など絶縁体素材で形成することができる。３Ｄプリンタによりパーツを形成することで、コンピュータ・グラフィックス、ＣＡＤなどで設計したパーツは、直接３次元形状に形成加工できる。

立体形状を幾つかのパーツに分けるのは、電子部品等の回路要素や他素材の組み込みを容易にするためである。パーツは、その剛性を担保できる限り、薄く形成することもできるし、中実に形成することもできる。パーツは、その内部空間、または、パーツ内部に凹みや穴を形成し、電子部品、回路部品、またはコネクタなどの取付けなどを行うことができる。

なお、1実施形態では、電子部品は、外部から嵌め込むのではなく、表面プリントとすることもできるし、電子部品を内部で組み立てるなどすることもできる。以上、本実施形態によれば、基板を、立体形状のパーツとして電子部品等と一体化できることにより、回路基板自体を排除することができる。また、基板自体が立体形状の外装を兼ねるため、電子機器のための別に外装筐体を設計する手間が排除できる。加えて、空間を仮想的に区切ることにより、立体的パーツの形を決め、実物もそれに沿って組み立てていくので、効率的な製造も可能となる。

以下、本実施形態で使用する電気的接続構造について説明する。本実施形態では、パーツを電気的に接続するための接続構造は、以下の形態として実体化することができる。
（１）相対するパーツに形成した導電性凹部および導電性凸部、
（２）導電体を挿通または注入する開口、
（３）導電化した接合面、またはこれらの組み合わせ
を含む群から選択され形成されることが好ましい。

パーツには、それぞれ電子部品が組み込むことができる。そしてパーツ内に形成された空間内に電子部品が電気的接続構造と接続され、全体として電子回路が形成される。組付けの最終段階では、パーツ間を固定して、立体形状を安定化させ、電子機器を形成することができる。

パーツ内の空間は、パーツをその剛性を考慮した厚さに形成し、その内部領域に確保することもできるし、パーツを絶縁性材料で、電子部品の形状を残して中実に形成し、パーツに電子部品を填め込み保持させる形状とすることもでき、パーツの形状を掘ることにより、填め込み作業の簡易化およびオートメーション化が可能となる。さらに、はかれるとともに、従来の配線基板と比較すると、十分な材料的・空間的余裕があるので、電子部品をパーツに直接製造することができる。

例えば例示的な実施形態としては、ＬＥＤの回線を透明アクリル樹脂等のパーツ内部に製造するなども可能となり、電子部品をパーツ内部に埋めるため、保持強度が向上でき、電子部品の安定的に内蔵可能となる。さらに、パーツ自体は、外装も兼ねることができるため、外装がなくともよく、さらに基板パネル自体も必要がなくなる。

本実施形態は、設計図としてコンピュータ上に仮想的な立体形状を作成し、電子部品をパーツごとに割り当て、当該パーツをコンピュータ・グラフィックスで設計し、３Ｄプリンタなどにより形状を具体化させる。その後、電子部品を実装し、パーツを立体ジグソーのように組み合わせて一体化させる。基板立体化を構成するための形状は、パズルピースのように簡易なものから、ＬＥＤ照明装置照明装置といった複雑なものまで構成することができる。

以下説明する実施形態では、説明の簡略化の意味で、立体形状が立方体であり、パーツも矩形であるものとする。図１に示した立体基板の構成を以下、詳細に説明する。図１は、２つの立方体の組み合わせとして立体形状が与えられている。うち小さい立方体を、ＣＡＤ上で、垂直方向に２つの矩形パーツとして設計する。そして、大きい立方体を図1中一点鎖線で示す様に水平方向の３つの矩形パーツとして設計する。

他の実施形態では、図１のＡ１と、Ａ２部分とを、図２、図３に示す様に構成することができる。図２のように、図１の立方体Ａ１は、中央から分離し、電子部品の填め込み部分に凹部と、回路要素を接続するための電気的接続構造を追加するためのアパーチャを形成する。電子部品Ｂを凹部に填め込んだ後、再びパーツを組み立てる。配線Ｃは、電子部品Ｂに付属するものが在ればそれを使用し、付属するものが無ければ、リード線、めっきその他の方法で、形成する。

図３で示すように、Ａ２は、パーツ分けした表面に凹部を作り、チップＢはめ込みの凹部と、回路のためのアパーチャＣ１とを、下面と側面の双方から施し、側面側の不要なＣ２部分を絶縁性材料で埋めて塞ぐことで不要な凹部を露出させないようにすることができる。配線要素は、開口部よりリード線などの針状の導電体を差し込むか、またはめっきによりプリントするか、または絶縁性材料の耐熱性に応じて金属製または合金製の導電材料を注入することもできる。

図１に示すＣ１部のように、パーツを跨ぐ配線は、パーツに形成する図４、図５に示す電気的接続構造を使用して行うことができる。電気的な接続が完成し、その後、パーツを固定してしまうので、半田ごて付けの作業を大幅に削減することができる。又、他の実施形態では、レーザ等の照射による一点の温度を上げる方式で基板よりも融点の低い伝導電材料を使用し、パーツを填め合わせた後、外部２方向からのレーザ照射や直接発熱体の熱による融解接着等により行うことができる。なお、本実施形態では、電子部品の接続も回路と同様の方式。３Ｄプリンタ等を用い立体基板を構成することができる。

また、パーツ内部の穴は、直線加工、格子状加工、放射状加工により回路の必要性に応じて機械加工することもできるし、３Ｄプリンタにより形状作成と同時に形成させることができる。そして、上述のように形成したパーツを組み合わせることにより、複雑な回路を収容した立体形状の電子機器を形成することができる。

図４、図５、図６、図７には、本実施形態で使用することができる電気的接続構造の実施形態であるコネクタを示す。図４に示す電気的接続構造は、絶縁材料Ａ内に導電性材料Ｃが埋設され、当該導電性材料Ｃが突起Ｄ１として左手側の第１パーツから突出する。この突出は、右手側の第２パーツの導電性材料で形成された凹部Ｄ２に嵌合して電気的接続を与える。

図５に示すコネクタは、左手側の第１パーツＡに形成された導電材料が第１パーツの下側の段差にまで延びて、接触面Ｄを構成する。また右手側の第２パーツには上側に延びた段差が形成され、導電性材料で形成された接続面Ｄが、第１パーツの接続面に対応する配置となるように形成されている。なお、接続面Ｄを形成する導電性材料は、パーツ内部に延びた導電性材料に電気的に接続され、第１パーツと第２パーツとを電気的に接続することが可能とされている。なお、接続面は、めっき法により形成することもできるし、導電性ペースト、導電性接着剤などにより形成することができる。

図６に示すコネクタの実施形態は、立体形状がワイヤ・フレームのように長い柱、梁、パイプなどにより形成される場合に適切に利用できる実施形態である。図６に示す実施形態では、柱や梁の内部に導電性材料から生成される配線Ｃが埋設され、電子部品Ｂが適切な導電性材料、例えばリード線などによって接続される。なお、各柱、梁の間は、図４，図５で説明した電気的接続構造により接続することができる。

図７は、パーツ間を相互接続する回路を繋げるコネクタの役割を果たすピンとランドを組み込んだパーツの部分断面図を示す。図７に示したパーツは、１つのパーツに導電性材料の突出部および凹部Ｄ２が形成されており、それぞれ対応する形状の形成された他のパーツとの間でこれらを固定しながら電気的接続を提供する。図８は、図７に示した電気的接続構造の突出部を説明する斜視図である。

これらのパーツの凸凹をレンガのように積み上げ、パーツ内部に配置された電子部品Ｂと接続しながら配線を形成し、それが、デザイン型を完成する工程を与える。図７のパーツを組み立てる工程は、手作業によっても可能だが、ミリサイズ以下のものは、ロボットを使用して精密組み立てすることもできる。なお、本実施形態の立体基板は、電気製品用途、教育用途、ホビーキットなどに適用することができるが特に限定はない。

図９は、本実施形態のパーツの組み立てを説明する概念図である。本実施形態の電子部品を組み立てる場合、図９のようにＸ軸Ｙ軸Ｚ軸、下軸の６向から組み立てる方法や、図１０に示すように、土台を置き上方向から差し込む態様も可能である。上部からのみの差し込みは図１１の実施形態例となり、図１１の実施形態では、他のパーツを係合させるための引っ掛かり部が形成されている。

他の配線や接続構造の実施形態としては、図１２に示すものも用いることができる。図１２の実施形態では、形状が立方体とされている。ただし、立方体の形状は、単なる例示であり、薄い板状、トライアングル形状、六角形状、八角形状、また任意曲面構造も可能なブロック状の物体としてパーツが生成できる。

また、内側に配線を持たないブロックを積み上げ、空洞のブロックを用いて基板の土台
を形作り、伝導体を挿通または注入する構成とすることができ、この実施形態の場合、伝導体のつなぎ目が少なくてすみ、電気抵抗を減少させることができる。

また、図１０に示した土台のように、何も配線構造を持たないブロックを作成し、間に配置すると、空洞やすきまを充填することができ、外観の一体性を提供することができる。また逆に、熱伝導の関係から空間を確保したい場合は骨組みのみのブロックを使用することができる。

基板パネル部同士の接着は外部からの留め金、パズルのような組み合わせ、熱による接着、常温硬化型の接着剤、空き部分を埋めるパテを介した接着により、固めてしまえば通常の分解は難しく、リバースアナリシスされる可能性を防止することができる。

図１３は、四角柱の形として内部に伝導体の挿通した角形配線コードを示す。図１３に示す角形配線コードは、電子部品がみ上げやすい形に平坦部を提供でき、この上に電子チップを載置し、固定することもできる。またパーツ間の電気的接続構造を提供することができる。図１３の実施形態は、図面形状は四角とされているが、断面形状は、三角、六角、八角でも、空間をすきま無く充填することができる形状であれば、特に限定はない。積
また、針金のように強く湾曲力のある伝導体を用い、コードを作成することができる。この場合、自在に形状を付与し、例えば鳥籠のような形の配線や網目等の配線をし、作りたい形に整えた後、パーツに固定することもできる。

さらに他の実施形態では、絶縁体の部質を用いた空洞のチューブから、それらを繋ぎ、貼り付け組み合わせ等で基板を形作り、伝導体を流し込むことで電気的接続を提供することができる。

電子機器の内部を回路空間として使用し電子回路自体を立体化させることにより、電子機器内部で電子部品を縦、横、斜め等の配線が可能になり、電子回路を提供する部分の容量を拡大することができる。電子部品の上に別の部品を重ねることや、配線を引くことも容易となり、さらに回路を複数のパーツに分離して形成する。そしてパーツを電気的な接続を提供するように相互に組み合わせることにより、複雑な回路や球体等の変則的な形の電子機器を提供することができる。基板が板状でなくなるため、機械の形もデザインの要求に柔軟に対応可能とすることができる。

Ａ 基板
Ｂ 電子部品
Ｃ 配線、回路
Ｄ コネクタ
Ｈ コード
Ｊ 電子部品

本発明は、完成デザインの機械内部の空間からレンズ等、他素材等、構成部品を除いた空間を基板と捉える。本発明者らは、回路を構成するものは基板自体ではなく配線であることに着目し、配線をよりデジタル的に物体に取り込ませることができれば、基板形状などの制限されることなく、より柔軟に電気回路および当該電気回路を含む電子機器が提供できる着想に至り、本願発明を完成させたものである。

すなわち、本発明によれば、
電子回路を３次元化することにより立体構造を形成する立体基板であって、前記立体基板は、少なくとも１つの電子部品と、当該電子部品に接続し、当該電子部品を空間的に連続して隣接する立体基板に電気的に接続するためのコネクタと、前記立体構造の壁面を離れて３次元的に延びる電気的接続構造とを備える、立体基板が提供できる。

前記立体基板は、前記立体構造を形成するためのパーツとされ、前記パーツが複数組み合わせて接続されることにより、前記パーツとは異なる形状の電子機器を構成することができる。

前記立体基板は、前記電子部品および電気的接続構造を、前記立体基板が組み立てられた場合に内側となる側に保持し、前記電子部品および電気的接続構造を外部から視覚的に遮断して前記立体構造を構成することができる。

さらに本発明によれば、
少なくとも１つの電子部品と、当該電子部品に接続して立体構造を形成し、当該電子部品を空間的に連続して隣接する立体基板に電気的に接続するためのコネクタと、前記立体構造の壁面を離れて３次元的に延びる電気的接続構造とを備える第２の立体基板を、３次元的に組み立てることによって立体構造とした電子機器が提供できる。

Claims (6)

1. 電子回路を３次元化することにより立体構造を提供する立体基板であって、前記立体基板は、少なくとも１つの電子部品と、当該電子部品を第２の立体基板に電気的に接続するための電気的接続構造とを備える、立体基板。
2. 前記立体基板は、前記立体構造を提供するためのパーツとされ、前記パーツが複数組み合わせて接続されることにより、前記パーツとは異なる形状の電子機器を構成する、請求項１の立体基板。
3. 前記立体基板は、空間的に連続する隣接する前記立体基板を立体基板の間にわたって電気的接続するためのコネクタを備える、請求項１または２に記載の立体基板。
4. 前記立体基板は、前記電子部品および電気的接続構造を、前記立体基板が組み立てられた場合に内側となる側に保持し、前記電子部品および電気的接続構造を外部から視覚的に遮断して前記立体構造を構成する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の立体基板。
5. 少なくとも１つの電子部品と、当該電子部品を外部に電気的に接続するための電気的接続構造とを備える立体基板を、３次元的に組み立てることによって立体構造とした電子機器。
6. 前記立体基板は、前記電子部品をその中空な内部領域に収容するか、または前記電子部品を前記立体基板に形成された前記電子部品を収容するための凹部に収容する、請求項５の電子機器。
   
   

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