TW201545794A - 積木、積木裝置及積木的製造方法 - Google Patents

Abstract

一種積木(100)，包含一帶有耦合件的本體(102)，耦合件的作用是使其所屬的積木(100)與另外至少一個積木形成可拆除的耦合。此外還包含多條線路(106、106’)，其中在積木(100)的各個相向表面上至少各設有一條線路，其中各條線路(106、106’)都能夠與相鄰之耦合積木的線路電連接。

Description

積木、積木裝置及積木的製造方法

本發明系關於如獨立請求項第1、9及12項之積木、積木裝置及積木的製造方法。

對玩具工業而言，以積木堆疊出物體的想法已擁有悠久的傳統。一種已知的方式是將積木製作成能夠毫無困難的彼此接合在一起的單件式模塊，以組成縮小比例尺的模型或構圖。積木可以彼此上下、左右、或移位接合及/或堆疊在一起，以複製物件及/或模型。

積木包含耦合件，透過耦合件使積木能夠以可拆除的方式彼此耦合。例如積木可以是不同大小的正方形積木，利用這種積木可以蓋出要複製的房子的縮小模型的牆壁。另一個例子是積木可以是平緩傾斜形狀的積木，利用這種積木可以蓋出要複製的房子的鞍形房頂。這一類積木也被稱為「樂高玩具」，一般稱之為樂高積木。樂高積木可以讓遊戲者發揮不受任何限制的想像力，建構出整個袖珍世界。樂高積木能夠以各種相應的方式彼此接合，以建構出縮小版的整棟房子、城市、汽車、飛機等既好玩又充滿智力挑戰的作品。

由於許多人希望加入若干新的功能，例如照明及能夠在周圍環境中操作，因此將積木組合在一起以 進行建造或建構工作的構想被進一步擴大。近年來要複製或建造的物件變得愈來愈複雜，而且還要加上愈來愈多整合到積木中的電氣及/或電子元件。例如電動馬達、開關及/或按鍵、電氣驅動的控制裝置、以及許多照明強度及照明顏色不同的照明單元。其中最常見的照明單元是發光二極體(LED)。這些發光二極體被整合到各個單一模組化積木中，並能夠在以積木製作各種型式的汽車時，複製出看起來非常真實的車頭燈、方向燈或尾燈。同樣的，也有許多方式可以將電動馬達整合到積木中，而且可以用於真實複製出要用積木製作的玩具起重機。例如將電動馬達安裝到積木做的起重機中，可以在遊戲時按下按鈕使起重機將重物抬起、使起重機的吊桿旋轉、使空中吊運車在吊桿上移動、以及將重物移動放置到另一個位置。使用電氣構件並整合到積木中的作法已經取得很大成功，並發展出愈來愈複雜的電子積木，例如利用這種積木可以複製出機器人，而且可以撰寫程式控制機器人的動作。

每一種電氣或電子積木，例如發光二極體積木或帶有袖珍處理器的積木，當然都需要電力供應。一件已知的事實是，電纜線是從相應的積木延伸出來，並與標準化的終端積木連接。例如，終端積木是直接與電源(例如3V、6V、9V 12V的電源)連接，或是可以作為分路。這樣就可以產生完整的構造物，例如具有許多個控制裝置、馬達及發光二極體的機器人。

這種積木的缺點是帶有電纜線。電纜線不但會干擾積木構造物的外觀，而且隨著電纜線的增多，接錯線的機率也會跟著升高。為了找出並排除可能的接線錯誤，必須將費力完成的結構拆除一部分，然後再裝回去，這不但非常麻煩，而且難以令人滿意。

另一個缺點是電纜線的接線工作不但非常費事，而且需要很長的時間。對某些特定的結構而言，由於受到空間限制，甚至完全無法接線。還有一個缺點是整個電纜線配置的成本相當高。以上描述的缺點都與積木應易於組裝的原則背道而馳。

本發明的目的是提出一種能夠解決先前技術之缺點的積木、積木裝置及積木的製造方法。

本發明的積木包含一帶有耦合件的本體，其中耦合件的作用是使其所屬的積木與另外至少一個積木形成可拆除的耦合，此外還包含多條線路，其中在積木的各個相向表面上至少各設有一條線路，其中各條線路都能夠與相鄰之耦合積木的線路電連接。

這樣就可以用既省事又無需昂貴的布線的情況下，將電流供應給電氣或電子積木。電流僅經由積木上的線路在電源及電氣積木及/或電子積木(集電器)之間流動。只要將積木耦合在一起，例如相鄰排列或上下堆疊，這些線路設置在積木表面上的方式就會使不同積木上的相關線路彼此電連接。這樣在由多個積木組成的結構中，積木表面設有線路的段落都會保持一致的電位。 電流會在每一個設有線路的積木之間流動，因此只需將簡單的將集電的積木組合在一起，就可以形成電連接。這樣就可以將組合積木的基本原理擴大到包括電氣化在內。

較佳地是利用電路板成型(MID)技術在表面製作線路。即使是最小的尺寸，製作線路用的MID技術也能夠達到很高的可積分性。使用MID技術可以非常精確且堅固的將線路設置在本體上。這種線路可以確保彼此耦合在一起的積木之間形成可靠且持久的電接點。使用MID技術也可以降低製造成本。原則上MID技術可以使通電直接在積木上進行，也就是說，在積木的基材上進行，例如包含丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)成份的基材。積木經過熱塑性壓鑄後，以雷射在其上形成線路，接著進行電鍍，以產生導電性，接著如果有必要的話可以再加上其他的元件。將這些積木組合在一起，可以使電流傳導進一步從電源連接到用電器具。

本體較佳地是包含一種電絕緣材料，其中該電絕緣材料使各條線路彼此電絕緣。在兩條線路之間接通電壓後，會在兩條線路之間形成一電位差，而且先前提及在積木結構的每一個電氣或電子積木都能夠測定到這個電位差。因此只要將積木組合在一起，就會形成一電導體，這樣就不必另外再單獨進行布線的工作。彼此相向的線路被積木的基材及/或材料(例如塑膠)彼此電絕緣。由於接通的電壓是一低電壓(例如最大電壓12V)，因此不必採取防止電壓擊穿的措施。這種積木通常是以熱 塑性塑膠(基材)壓鑄而成，其中塑膠本身就是很好的電絕緣體，並對抵抗電壓擊穿有很大的強度。

線路較佳地是分佈在表面上至少相當大的範圍。至少在積木的邊緣部分或周邊部分(俯視)的表面段落是導電的，這樣就可以確保與相鄰積木之間的電連接。這樣線路就不必分佈在整個表面上，因此可以降低成本。

積木較佳地是還包含至少一個電氣或電子構件。此種電氣或電子構件的耗電量很小(電連接位於弱電流範圍)。

電氣或電子構件較佳地是具有至少兩個分別與相向之線路電連接的輸入端。可以將電氣或電子構件澆注到積木內部，並透過導電段(焊片)與相向的線路形成電連接。

電氣或電子構件較佳地是包括一照明單元，尤其是一發光二極體(LED)、一開關、一按鍵、一電動馬達、一顯示單元、一電聲轉換器、及/或一配電單元，尤其是一微處理器。這樣整合在積木內的電氣或電子構件就能夠可靠的對整個構造而非個別導線提供應電壓。因此可以省掉冗長、費事且易於出錯的布線工作。同時整個積木結構的外觀也不會因為導線而受到破壞，而且又可以降低成本。

此外，積木較佳地是還包括至少一段以MID技術形成的文字。MID技術的另一個優點是能夠在積木上形成高質感的文字。這樣就可以省掉用貼紙將說明文 字黏在積木上的工作，使用貼紙的缺點是貼紙很快就會老化，而且精密度也不夠。利用MID技術形成文字，在顏色及設計上都不會有任何限制。

採用獨立請求項9的積木裝置即可達到本發明的目的。本發明的積木裝置包括多個如請求項1至8中任一項且耦合在一起的積木，其中積木耦合的方式是使積木的每一個相向表面上線路彼此電連接。這種積木裝置除了能夠提供有利的結構及造型設計外，也能夠使整合至少一個電氣或電子構件的積木經由作為導電體的線路毫無困難獲得電流供應。為此只需在其中一個積木的相向的線路之間接通一電壓即可。要注意的是，積木的材料使相向的線路彼此電絕緣。因此電流可以經由線路流過整合在積木內的電氣構件(例如發光二極體)。因此可以將具有電氣構件的積木整合到積木裝置中，而且又能夠使其可靠的運作(接通電壓)，而無需進行容易出錯又費時的布線工作。同時也不會對積木裝置的外觀造成不利的影響。

此外，積木裝置較佳地是還包括至少一個電源，其作用是在設置在積木的兩個相向的反面上的線路之間接通電壓。這樣就能夠可靠的為電氣構件提供電壓。接通的電壓可以包括不連續的電壓。另一種可能性是，電壓可以是逐步改變的，例如從0V到12V。積木裝置可以將功能模組化到積木中，例如照明及電動功能，以及將多個積木組合成的一裝置或結構的基本原理與電流導引結構結合在一起。

電源較佳地是包括一變壓器、至少一個電池或充電電池、及/或至少一個太陽能電池。這樣就可以確保對電氣構件的供電。

為達到本發明的目的，可以利用請求項12的製造方法製造如請求項1至8中任一項的積木。本發明的製造方法包括壓鑄出一本體，以及在本體的各個相向的表面上形成至少一條線路。這樣很容易就可以製造出預定要在其上導電的積木，並透過將積木組合在一起，以形成與電氣構件的電連接。

較佳地是利用MID技術在積木表面形成線路。MID技術的一個非常重要的優點是能夠精確的將電氣構件(例如照明單元、尤其是發光二極體，傳動器，電池)定位在積木內。此外，利用MID技術也可以將開關、按鍵、照明圖案、以及顯示單元直接固定在積木的材料或基材上。

本發明的方法較佳地是包括利用MID技術在積木的至少一個表面上形成至少一段文字。相較於一般使用貼紙的方法，利用MID技術可以在積木上形成持久性更長的文字。

10、100‧‧‧積木

12、104‧‧‧凸起

102‧‧‧本體

106、106’‧‧‧線路

110、116’‧‧‧處理器單元

200‧‧‧積木裝置

310、310’‧‧‧發光元件

320、320’‧‧‧電纜束/雙股扁形纜線

330‧‧‧第一轉接積木

340‧‧‧四股扁形纜線

350‧‧‧第二轉接積木

以下將配合圖式及實施例對本發明的內容做進一步的說明。其中：

第1圖先前技術的一積木的立體視圖。

第2圖本發明之積木的一立體視圖。

第3圖本發明之積木的另一種實施方式的立體視圖。

第4圖本發明之積木的另一種實施方式的立體視圖。

第5圖本發明之積木的另一種實施方式的立體視圖。

第6圖本發明之積木裝置的立體視圖。

第7圖按照先前技術，一整合在積木內的電氣構件的布線方式。

第1圖顯示先前技術的一積木10的立體視圖。這種積木10也稱為樂高積木，也就是一模組化積木系統所謂的一3x1積木，積木10能夠與其他的模組化積木耦合。第1圖中的積木10具有排成一列的3個凸起12。積木10被鑿成空心，且在其中空的內室包含多個管子(未繪出)，這些管子在第1圖顯示的積木10的定位朝垂直方向延伸。這些管子能夠與位於積木10下方耦合的另一個積木的凸起形成力連接及形狀連接。積木的凸起的外表面也能夠透過力連接及形狀連接與另一個積木的內壁段彼此連接及/或耦合。這些積木彼此在垂直方向形成力連接，在水平方向形成形狀連接。

如前面所述，第1圖顯示的積木10是一模組化系統的一部分。例如，系統中的其他積木可以是1x1、2x2、或4x4的配置。模組化積木彼此的耦合具有很高的自由度，可以讓遊戲者的想像力盡情發揮，以縮小的比 例尺設計及/或組合出各種不同的積木裝置，例子房子、汽車、飛機等。可以將積木塗上不同的顏色，也就是說在組合積木時可以將顏色的因素考慮進去。第1圖顯示的積木10是以塑膠製成，例如以丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)製成。熱塑性壓鑄法特別適於用來製造積木10。

第2圖顯示本發明的一積木100的立體視圖。積木100包括一本體102及3個凸起104，其中積木100的凸起104能夠與其他積木(未繪出)耦合。在第2圖顯示的定位中，本體102的正面及背面分別具有一條以導電金屬製成的線路106、106’。

利用MID技術形成線路106、106’。為此可以使用不同的MID方法，其中最常用的方法簡述如下：

熱壓印法是在一步驟內將塑膠基材金屬化及結構化。利用一帶有陽導線圖案的壓印頭將一帶有黏著層的銅壓印膜在壓力及加熱的情況下壓印在塑膠基材上。基材因受熱而在表面溶化。線路從銅膜被移出與基材在一起。

薄膜後壓鑄法是透過底層塗料的絲網印刷或塞子打印在薄膜上形成結構化的導線圖案。在加溫下進行正常化處理的過程中，底層塗料與基材表面產生化學結合，並形成很好的黏著強度。在這個過程中，薄膜會產生變形。接著將薄膜放到一壓鑄機中進行後壓鑄。經過後壓鑄後，以電鍍強化及精製線路。

雙成份壓鑄法是利用第一次壓鑄從可金屬化的塑膠製作出導線圖案的結構，這個結構可作為化學金 屬化的基材。視塑膠的種類而定，在經過第一次壓鑄後，必須對塑膠表面進行後處理。將壓鑄胚料重新放到模子中，並以不能金屬化的塑膠擠壓包封。接著將露空的線路金屬化及精製。

掩模法是利用化學塗覆將塑膠載體金屬化。以一種塑膠壓鑄件作為基材，首先透過酸洗或腐蝕使基材表面作好形成晶芽的準備。接著進行金屬化。塗上光致抗蝕劑，然後透過三度空間掩模以紫外線照射，以進行結構化。在光致抗蝕劑顯影後，以電鍍強化露空的金屬層，並覆上蝕刻掩模。去除光致抗蝕劑後，將剩餘的金屬腐蝕掉，然後對表面進行後處理。

與掩模法不同的是，直接雷射結構化法是以雷射直接照射光致抗蝕劑進行結構化。在光致抗蝕劑被雷射去除的位置，金屬會被腐蝕掉。最後對表面進行後處理。

LPKF公司開發出的LPKF雷射直接結構化法是先壓鑄出一塑膠件。接著利用書寫或成像雷射系統轉移結構圖案。然後在酪化學還原槽中進行金屬化。

兩條線路106、106’較佳地是被本體102的材料或基材(例如丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS))彼此電絕緣。線路106、106’較佳地是位於兩個表面的邊緣部分(周圍部分)。當其他的積木(未繪出)與積木100耦合在一起，則線路106、106’的邊緣段與耦合的其他積木的相應的線路形成電連接。這樣就可以由多個積木構成一具有兩個相向的表面的積木裝置(結構)，其中線路段彼此分 開(電絕緣)，並能承受平面上一致的電位。如果在相向的線路之間接通一電壓，則在積木裝置內的其他位置也能夠測得這個接通在線路之間的電壓。如以下的說明，這樣就可以對一具有電氣構件的積木提供電壓，而且無需在這個電氣構件及電源之間設置外接的布線。

第3圖顯示本發明的積木100的第一種實施方式。積木100具有一整合的電開關(電氣構件)。同樣的，在第2圖的實施方式中，兩個表面的邊緣部分都帶有線路106、106’。電開關元件被整合或澆注到本體102內部，只需按壓正面就可以接通或切斷電開關元件。例如只要輕觸「ON/OFF」字樣，並同時輕觸環繞這個字樣的邊界，就可以觸發一開關脈衝(觸敏開關)。例如在回應開關的切換時，可以接通或切斷內建於積木100的另一個電氣構件(未繪出)。另外一種可能性是可以透過開關的切換接通或切斷另一個積木(未繪出)內的電氣構件，例如第3圖中與積木100相鄰的積木。

第4圖顯示本發明的積木100的另一種實施方式。根據本發明，本體102的兩個表面分別具有線路106、106’。此外，積木100還具有兩個作為電氣構件的照明單元108、108’。例如，這兩個照明單元108、108’可以是發光二極體(LED)。照明單元108、108’的電壓輸入端在本體102內部延伸到線路106、106’(未繪出)。在兩條線路106、106’之間接通一電壓，就可以點亮兩個照明單元108、108’。一個很大的優點是，如果積木100與其他多個積木(未繪出)組合成一積木裝置，則只需在 這個積木裝置內的任何一個位置在兩條相向的線路之間接通一電壓，就可以將照明單元108、108’點亮。這樣就可以省掉設置費事、昂貴且會影響積木裝置之外觀的布線。

第5圖顯示本發明的積木100的另外一種實施方式在水平平面上的一剖面圖。積木100具有整合或澆注到本體102內部的兩個處理器單元110、110’，其中處理器單元110、110’的輸入端分別與線路106、106’電連接。因此可以經由線路106、106’為處理器單元110、110’供應電壓。

第6圖顯示本發明之積木裝置200的一種實施方式的立體視圖。積木裝置200是由多個單一的積木100組成，而且這些積木100在垂直方向是以力連接的方式彼此耦合(垂直)，在水平方向是以形狀連接的方式彼此耦合(水平)。在每一個積木100的相向的表面上分別具有可導電的線路106、106’，而且線路106、106’分別與相鄰、上方及下方之積木的線路電連接。

在積木裝置200的最上面一排是插上如第5圖顯示的積木。為易於理解起見，這些積木是以視的方式呈現。兩個積木的內部分別設有兩個處理器單元110、110’。處理器單元110、110’的輸入端分別經由導線連接與線路106、106’電連接。

此外，積木裝置200還具有一配備照明單元108、108’的積木100，其中照明單元108、108’是直接被整合到積木100中，且其發射的光線方向朝上。照明 單元108、108’同樣也是經由未在圖式中繪出的導線連接分別與積木100的相向的線路106、106’電連接。因此只要在積木裝置200內的任何一個位置在兩條相向的線路106、106’之間接通一電壓，就可以用簡單且可靠的方式將照明單元108、108’點亮。這樣就可以省掉會影響積木裝置200之外觀的不規則形狀的布線。同時有利的排除接線錯誤。同時由於省掉布線的關係，因此亦有助於降低成本。

第7圖顯示先前技術的一布線300的例子。說得更精確一些，布線300是以先前技術為整合在一積木內的電氣構件連接電纜線所形成的布線。在這個例子中，兩個發光元件310、310’是作為積木裝置的袖珍車頭燈，以組成一台袖珍汽車(未繪出)。發光元件310、310’所需的電壓是由兩條電纜束320、320’負責供應，其中由成對的雙股扁形纜線組成的電纜束320、320’被連接到第一轉接積木330。成對的雙股扁形纜線320、320’在轉接積木300內結合成四股扁形纜線340，並且被連接到第二轉接積木350。兩個轉接積木330、350都可以配置電接點(未繪出)，透過這些電接點可以對兩個發光元件310、310’各別或一起供應電壓。

布線300的缺點是接線的外觀不好看，這會對費心完成的積木裝置的外觀造成不好的影響。此外，這樣的布線並不容易實現，尤其是必須將電纜束320、320’、340舖設在非常狹窄的積木裝置的內部。另外一個缺點是舖設錯誤的機率很高。另一個錯誤來源是電纜 束可能會沿著其延伸方向受損，因而無法傳播電流。此外，轉接積木330、350經常會接觸不良。尋找可能的錯誤源是一件費事且耗時的工作。通常必須將花費長時間組成的積木裝置至少拆除一部分，才能找出布線錯誤的位置，以進行除錯工作。另一個缺點是，由於所需元件的數量很多，這個例子顯示的先前技術的布線的成本很高。

100‧‧‧積木

102‧‧‧本體

104‧‧‧凸起

106、106’‧‧‧線路

Claims (14)

1. 一種積木(100)，其包含一帶有耦合件的本體(102)，耦合件的作用是使其所屬的積木(100)與另外至少一個積木形成可拆除的耦合，此外還包含多條線路(106、106’)，其中在積木(100)的各個相向表面上至少各設有一條線路，其中各條線路(106、106’)都能夠與相鄰之耦合積木的線路電連接。
2. 如請求項1的積木(100)，其中利用電路板成型(MID)技術在表面製作線路(106、106’)。
3. 如請求項1或2的積木(100)，其中本體(102)包含一種電絕緣材料，其中該電絕緣材料使各條線路(106、106’)彼此電絕緣。
4. 如請求項1至3中任一項的積木(100)，其中線路(106、106’)分佈在表面上至少相當大的範圍。
5. 如請求項1至4中任一項的積木(100)，其中至少還包含一電氣或電子構件(108、108’；110、110’)。
6. 如請求項5的積木(100)，其中電氣或電子構件(108、108’；110、110’)具有至少兩個分別與相向之線路(106、106’)電連接的輸入端。
7. 如請求項5或6的積木(100)，其中電氣或電子構件(108、108’；110、110’)包括一照明單元(108、108’)，尤其是一發光二極體、一開關、一按鍵、一電動馬達、一顯示單元、一電聲轉換器、及/或一配電單元(110、110’)，尤其是一微處理器。
8. 如請求項1至7中任一項的積木(100)，其中還包括至少一段以MID技術形成的文字。
9. 一種積木裝置(200)，包括複數個如請求項1至8中任一項且耦合在一起的積木(100)，其中積木耦合的方式是使積木(100)的每一個相向表面上的線路(106、106’)彼此電連接。
10. 如請求項9的積木裝置(200)，其中積木裝置還包括至少一個電源，其作用是在設置在積木的兩個相向的反面上的線路(106、106’)之間接通電壓。
11. 如請求項10的積木裝置(200)，其中電源包括一變壓器、至少一個電池或充電電池、及/或至少一個太陽能電池。
12. 一種製造如請求項1至8中任一項之積木(100)的方法，包括：壓鑄出一本體(102)，以及在本體(102)的各個相向的表面上形成至少一條線路(106、106’)。
13. 如請求項12的方法，其中是利用MID技術在積木(100)的表面形成線路(106、106’)。
14. 如請求項13的方法，其中利用MID技術在積木(100)的至少一個表面上形成至少一段文字。