JP6083128B2 - 画像基板上立体電子回路の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、立体電子回路の製造方法および立体電子回路に関する。さらに詳述すると、電子回路を備えるシート状の薄型構造体が、立体的に展開し機能する構造体とその製造方法に関するものである。

紙媒体である用紙にとって代わることが可能な表示媒体として、電子ペーパー、電子書籍、マルチメディアシート、光や音の出るカタログや書籍などの電子回路を備えたシート状の薄型構造体が広く知られている。

一方、平坦に折り畳んだ状態から開くことによって立体構造を形成するポップアップ機構を有するセンサシート、グリーティングカード、飛び出す絵本、サイングラフィックなど（以下、ポップアップカードと総称する）が広く知られており、このようなポップアップカードには、用途に応じた画像の印刷やデザインが施されている。

このようなポップアップカードであって、例えば、特許文献１には、発光システムを組み込んだグリーティングカードであるカード状発光表示装置が開示されている。

特許文献１のようなポップアップ機構を有する立体構造の立体電子回路（シート状の薄型構造体）の製造に際しては、基板上の配線の這い回しや発光素子などの部品の実装、および基板の切り込み、折り曲げ等が課題となる。

上記の関連技術として、例えば、特許文献２には、絶縁樹脂層と配線層とを有するフレキシブル回路基板部が塑性変形可能な板状基材の片面を覆うように積層され、フレキシブル回路基板部の互いに離隔した複数箇所に電子部品を実装するための電極部が設けられている曲げ変形可能配線基板が開示されており、折り曲げによって立体形状とすることが可能であることが開示されている。

また、特許文献３には、金属板をエッチングにより箱の展開形状に切り抜き、折り曲げ用の浅い溝を形成し、その上に絶縁層、導体箔を形成し、導体箔をエッチングすることにより所定の回路パターン形成し、その上に電子部品をリフローはんだ付けして電子部品実装平板体として、これを溝に沿って折り曲げた箱形構造体（折曲型３次元回路装置）が開示されている。

しかしながら、ポップアップ機構を有する立体構造の立体電子回路の製造において、所望のポップアップ構造とするには、基板上のリード線の這い回しや発光素子などの部品の実装など、人手による製造工程が不可欠であり、このことが高コストの要因となっていた。上記特許文献２，３の技術では、この問題を解決することができなかった。

特に、少量多品種生産、変量多品種生産となるような製品（オンデマンド製品）については、版や型を用いた製造工程を採用することは、製造に時間もかかり、コスト高となるため難しいという問題がある。

そこで本発明は、基板上の所望の位置に実装された電子部品を基板の平面から変位させることができるポップアップ構造を有した立体電子回路を、オンデマンドに低コストで製造することができる立体電子回路の製造方法および立体電子回路を提供することを目的とする。

かかる目的を達成するため、本発明に係る画像基板上立体電子回路の製造方法は、基板上に画像を形成する画像形成工程を有する画像基板上立体電子回路の製造方法であって、前記画像形成工程の後に、前記基板上の画像形成面または画像形成面の裏面に導電性材料をパターン形成する導体パターン形成工程と、前記基板上に電子部品を実装する部品実装工程と、前記基板を切り込む基板加工工程と、前記電子部品の少なくとも１つを前記基板の平面上から該基板の垂直方向の任意の位置に変位させるように、前記基板加工工程による切り込み位置を含んで前記基板を曲げる基板変形工程と、を有するようにしている。

本発明によれば、ポップアップ構造を有した立体電子回路を、オンデマンドに低コストで製造することができる。

立体電子回路の製造方法の一例を示すフローチャートである。 導体パターン形成工程を説明する模式図である。 基板加工工程を説明する模式図である。 立体電子回路の製造方法の他の例を示すフローチャートである。 立体電子回路の断面図である。 立体電子回路の一実施形態であるポップアップカードの製造方法を説明する模式図である。 ポップアップカードの他の例を説明する模式図である。 ポップアップカードの製造方法を説明する模式図である。 ポップアップカードの他の例を説明する模式図である。 複数の発光素子を有するポップアップカードの製造方法を説明する模式図である。 基板切り込み線、基板折り曲げ線の決定手順の一例を示すフローチャートである。 貫通穴を設けた立体電子回路の断面図である。 ポップアップカードの折りたたみを説明する模式図である。 スピーカを実装したポップアップカードを説明する模式図である。 ＲＦＩＤタグ機能を備えた立体電子回路の模式図である。

以下、本発明に係る構成を図１から図１５に示す実施の形態に基づいて詳細に説明する。

（立体電子回路の製造方法）
図１に示すフローチャートを参照して、本実施形態に係る立体電子回路の製造方法について説明する。

［導体パターン形成工程］
先ず、基板１上へ導電性材料のパターン（導体パターン４）を形成する（Ｓ１０１）。この導体パターン形成工程としては、公知または新規の種々の形成方法を用いることができる。例えば、スクリーン印刷、フレキソ印刷などの版を用いて印刷する方法や、インクジェット、ディスペンサなどの版を用いないオンデマンド印刷を用いることができる。なお、印刷方式として電子写真を用いても良い。

インクとしては、例えば、金属のナノ粒子を用いた導電性ペースト、導電性インクを用いることができる。その材料としては、金、銀、銅、ニッケル、カーボンなどを用いることができる。

また、基板１としては、例えば、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、ポリイミド、紙などでフレキシブルに変形・加工が容易（塑性的に曲げ変形可能）な材料を用いることができる。なお、基板表面にインクを吸収し定着させるため、予め受容層を設けることも好ましい。また、導体パターン形成後に、乾燥工程、焼成工程を経ることとしても良い。

導体パターン形成工程（Ｓ１０１）における導体パターン形成の一例について図２を参照して説明する。図２に示す例では、導体パターン形成手段として、導電性材料のノズル吐出を用いている。

すなわち、基板１に対してノズル２から導電性のインクが吐出され、その液滴３を基板１上に着弾させている。この際、ノズル２からの吐出タイミングと、ノズル位置または基板位置を同期制御することにより、基板１の任意の位置に導体パターン４を形成することができる。尚、図２では、ノズル数が１つの例を示しているが、２以上であってよいのは勿論である。

［部品実装工程］
次に、基板１上に形成された導体パターン４の上に部品を配置、実装する（Ｓ１０２）。実装部品（電子部品）の形態は、リード部品、表面実装部品（発光素子（ＬＥＤ）など）、ベアチップなどで、導電性材料により部品端子と配線部分が接着、接続される。なお、部品は機能性材料の塗布によって形成されるものであっても良い。

［基板加工工程］
次に、予め設定された切り込み線に従って基板をカットする（Ｓ１０３）。切り込み線は所望の直線あるいは曲線であって、外形を切断、切削加工する。基板１の外形形状は矩形あるいは任意の形状で有れば良い。また、基板１の内部に向かってに外周からの切り込みを入れる工程、基板１に折り曲げ線を付ける工程を含むものである。また、基板１の内部を切り抜く穴あけ工程を含むものでも良い。基板１の加工方法はダイカットなど型を用いる方法、あるいはレーザ加工のようにオンデマンドな加工方法が用いられる。

基板加工工程（Ｓ１０３）の一例について図３を参照しつつ説明する。基板加工工程は、例えば、基板１にレーザ照射部５からレーザ光６を照射することで基板１をカットするものである。レーザ照射部５よりレーザ光６が基板１上に照射され、そのエネルギーにより基板１に基板切り込み線（切り込み部）７が形成される。

この際、レーザ照射タイミングと、レーザ照射部位置あるいは基板位置を同期制御させることにより、基板１上の任意の位置に基板切り込み線７を形成することができる。尚、基板加工手段は、レーザに限られず、例えば、基板１をステージ上に載置き、カッターをＸＹ方向に移動させるものであってもよい。

また、折り曲げ線は、必ずしも形成する必要はないが、形成する場合は、例えば、折り曲げ方向（山折り、谷折り）に応じて基板１に浅い溝を加工して形成することができる。また、山折りおよび谷折りの双方が可能なようにしても良い。なお、山折り、谷折りの用語は基板１の導体パターン４の形成面を基準として用いるものとする。この折り曲げ線は、直線あるいは曲線で構成される。

［基板変形工程］
次に、加工された基板１上の予め設定された折り曲げ線に従って、基板１に力を加え折り曲げる（Ｓ１０４）。以上の工程により立体電子回路が製造される。なお、基板１は、折り曲げられた状態でその状態を維持するものであり、再度、折り曲げ状態を解除、または折り曲げた状態で畳まれてして、元の平面状態とすることが可能な塑性的に変形可能とされている。

以上の工程は、機械により人手を介することなく自動的に行うことができる。基板変形工程については、例えば、電流により生じる力を利用するロレンツ力等によって無接触で折り曲げるようにしても良い。

［画像形成工程］
また、基板１の表面に図版、絵柄等を印刷する画像形成工程（Ｓ２０１）を含むことも好ましい。この場合の立体電子回路の製造方法について、図４に示すフローチャートを参照して説明する。画像形成手段としては、電子写真方式、インクジェット方式、フレキソ印刷方式、スクリーン印刷方式などの種々の従来の画像形成方式を用いることができる。

なお、画像形成面は基板１上の導体パターン形成面、部品実装面と同一面であってもよいし、反対側の面であってもよいし、両面であっても良い。このように予め画像形成がされた基板１を用いて、上述した処理（Ｓ２０２〜Ｓ２０５）を行って立体電子回路を製造することも好ましい。なお、Ｓ２０２〜Ｓ２０５は、Ｓ１０１〜Ｓ１０４と同工程である。

（立体電子回路の構成）
次に、上記工程を含む立体電子回路の製造方法により製造される立体電子回路（シート状の薄型構造体）について説明する。

図５に立体電子回路の断面図を示す。図５の例では、基板１の片面（導体パターンの非形成面）には、画像形成工程（Ｓ２０１）により画像８が印刷されており、基板１の反対側の面には、導体パターン形成工程（Ｓ１０１，Ｓ２０２）および部品実装工程（Ｓ１０２，Ｓ２０３）により配線９が形成され、実装部品１０が実装されている。

図６（Ａ）〜（Ｅ）を参照して立体電子回路の一実施形態である発光素子とその駆動モジュールが配置されたポップアップ機構を有するカード（以下、ポップアップカードという）について説明する。このポップアップカードは、導電性材料（配線９）がパターン形成された基板１と、基板１上に実装された電子部品（発光素子１１）と、を備えたポップアップカードであって、基板１は、所定の切り込み部（基板切り込み線７）を有し、切り込み部を含んで電子部品の少なくとも１つが基板１の平面上から該基板１の垂直方向に変位する状態で折り曲げられているものである。

先ず、図６（Ａ）に示すような平面基板１の片面（図中の裏面）に、画像形成工程（Ｓ２０１）により画像８を形成する。次に、図６（Ｂ）に示すように、基板１の画像形成面の反対側の面（図中の表面）に、導体パターン形成工程（Ｓ１０１，Ｓ２０２）により導体パターンである配線９を形成する。

次に、図６（Ｃ）に示すように、部品実装工程（Ｓ１０２，Ｓ２０３）により発光素子１１および発光素子１１の駆動モジュール１２を基板１上に実装する。

さらに、図６（Ｄ）に示すように、基板加工工程（Ｓ１０３，Ｓ２０４）により基板切り込み線７（実線で示す）、基板折り曲げ線１３（破線で示す）を形成し、基板変形工程（Ｓ１０４，Ｓ２０５）により基板折り曲げ線１３に従って、図６（Ｅ）に示すように基板１が折り曲げ加工（谷折り）することで、発光素子１１が基板平面からポップアップした状態とすることができる。

なお、図７（Ａ），（Ｂ）に示すように、基板折り曲げ線１３ａ〜１３ｃを複数設けて、それぞれ山折り、谷折りすることで複数回折り曲げた形状とすることも可能である。

次に、図８（Ａ）〜（Ｅ）を参照してポップアップカードの他の実施形態について説明する。先ず、図８（Ａ）に示すような平面基板１に、図８（Ｂ）に示すように、導体パターン形成工程（Ｓ１０１，Ｓ２０２）により配線９を形成する。なお、画像形成工程（Ｓ２０１）により画像を印刷してもよいのは勿論である。

次に、図８（Ｃ）に示すように、部品実装工程（Ｓ１０２，Ｓ２０３）により発光素子１１および発光素子１１の駆動モジュール１２を基板１上に実装する。

さらに、図８（Ｄ）に示すように、基板加工工程（Ｓ１０３，Ｓ２０４）により基板切り込み線７（実線で示す）、基板折り曲げ線１３（破線で示す）を形成し、基板変形工程（Ｓ１０４，Ｓ２０５）により基板折り曲げ線１３に従って、図８（Ｅ）に示すように基板１を基板折り曲げ線１３ｂ_１で折り曲げ加工（谷折り）し、さらに、発光素子１１の部分を引き出すように、基板折り曲げ線１３ｂ_２を引き出し加工（基板折り曲げ線１３ｂ_２を山折り、基板折り曲げ線１３ａ，ｃを谷折り）することで、発光素子１１がポップアップした状態とすることができる。

また、図８の変形例として、図９（Ａ）に示すように、基板折り曲げ線１３ｂ_２を形成せず、発光素子１１を実装する部分の基板１が湾曲するように変形させても良い。また、図９（Ｂ）に示すように、基板折り曲げ線１３ｂ_１，２を形成せず、発光素子１１を実装する部分の基板１と、基板１の他の部分とをそれぞれ湾曲した状態となるように変形させても良い。この場合、基板１は、曲げ変形した状態で維持可能である。

次に、複数の実装部品を設けた立体電子回路について説明する。図１０（Ａ）は、２つの発光素子１１ａ，１１ｂが、それぞれの配線９ａ，９ｂによって独立して駆動制御されるポップアップカードを示したものである。

各発光素子１１の位置（端部）が所望の位置となるように基板切り込み線７と基板折り曲げ線１３を決定することで、立体構造の角部分に発光素子１１が位置するようにすることができる。この手順の一例を説明する。

図１０（Ｂ）では、基板折り曲げ線１３ｄで基板１を角度９０度で折り曲げた（谷折り）際の座標系を示しており、発光素子１１ａのＸ，Ｙ座標を（ｘ１，ｙ１）とする（ｘ１＞０，ｙ１＞０である）。

ここで、図１０（Ｃ）に示すように、基板折り曲げ線１３ｄからｘ１，ｙ１離れた位置にそれぞれ基板折り曲げ線１３ｅ，１３ｆ（谷折り）とし、さらに、基板折り曲げ線１３ｅからｙ１分基板折り曲げ線１３ｄに近い位置を基板折り曲げ線１３ｇ（山折り）とすれば良い。なお、基板切り込み線７は、基板折り曲げ線１３ｅ，１３ｆ間で配線および実装部品に適切な幅で設けるものであればよい。また、発光素子１１ｂについても同様に、基板折り曲げ線１３ｈ〜ｊ、基板切りこみ線７を設けるものである。

このような位置に基板切り込み線７、基板折り曲げ線１３ｅ〜ｊを設けることで、基板切りこみ線１３ｄにて基板１を９０度折り曲げた際に、発光素子１１ａ，１１ｂはそれぞれ所望の位置（ｘ１，ｙ１），（ｘ２，ｙ２）に配置することができる。なお、基板１を折り曲げる角度は９０度以外の角度であっても良く、その場合は、折り曲げ角度を考慮して折り曲げ線の形成位置を変更すれば良い。以上のように、複数の発光素子および配線の場合も同様に配置することができる。

上記基板切り込み線７、基板折り曲げ線１３の決定手順について、図１１に示すフローチャートを参照して説明する。

まず、基板折り曲げ線１３ｄを設定し（Ｓ３０１）、基板折り曲げ線１３ｄでの折り曲げ角度（９０度）を設定する（Ｓ３０２）。次に、各発光素子１１の所望の配置位置Ｘ，Ｙを設定して（Ｓ３０３）、各発光素子１１を立体配置するための基板切りこみ線７および基板折り曲げ線１３ｅ〜ｊを算出するものである（Ｓ３０４〜Ｓ３０５）。

また、発光素子１１に相当する基板部分に貫通穴を形成することも好ましい。例えば、図１２の立体電子回路の断面図に示すように、基板１の片面に画像形成工程（Ｓ２０１）により画像８が印刷されており、導体パターン形成工程（Ｓ１０１，Ｓ２０２）により画像面の裏面側に配線９が形成された立体電子回路について基板加工工程（Ｓ１０３，Ｓ２０４）により貫通穴１４を形成した後に、部品実装工程（Ｓ１０２，Ｓ２０３）により発光素子１１を実装するようにしても良い。この発光素子１１の発光方向を貫通穴１４の形成方向とすることで、画像８の一部が発光する立体電子回路（ポップアップカード）とすることができる。

以上説明したポップアップカードは、図１３（Ａ）に示すように、発光素子１１が基板１の平面から変位した立体構造の状態から、図１３（Ｂ）に示すように、略平面に折り畳まれたフラットな構造とすることが可能であり、また、逆に、略平面に折り畳まれた状態を開くことで、立体構造の状態となるものである。このように、自由に折り畳むことを可能とすることで、持ち運び、輸送・運搬等が容易となる。封筒への封入等も可能となるので、郵送も容易となる。

上記実施形態では、実装部品１０の例として発光素子１１を例に説明したが、実装部品１０として、例えば、スピーカ１５を用いるようにしても良い。例えば、図１４に示すように、基板１上に配線９を介してスピーカ１５が、その駆動モジュール１６に接続されている。スピーカ１５とその駆動モジュール１６としては、公知または新規の技術を用いればよく、特に限られるものではないが、例えば、ポップアップカードを広げた際に、メロディが鳴り出すようにメロディデータ記憶手段、データ再生手段、Ｄ／Ａ変換手段、オーディオ信号増幅手段、電源手段などの各種手段を有するものであればよい。

スピーカ１５を備えることにより、音声出力機能を有するポップアップカードとすることができる。また、同一の基板１上に発光素子１１と併用することが好ましい。

また、ＲＦＩＤ（Radio Frequency IDentification）タグ機能を備えた立体電子回路とすることも好ましい。例えば、図１５に示すように、基板１上にＲＦＩＤ用ＩＣチップ１８と、導体パターンからなるＲＦＩＤアンテナ１７を接続したものとすることができる。この構成によれば、例えば、立体電子回路を広げることで指向性、ゲインなどのアンテナ特性が変化するため、これを利用して、カード商品の在庫管理等を行うことが可能となる。また、上述の発光素子１１やスピーカ１５と併用することも好ましい。

以上説明した立体電子回路の製造方法および立体電子回路によれば、基板上への導体パターン形成、部品実装、基板加工・変形工程により、自動化の難しいリード線のはいまわし、発光素子の実装などの立体電子回路の製造に特有の困難さを解消することができ、所望の電子部品を所望の空間位置に配置する立体電子回路を低コストに製造することができる。

また、版を用いない印刷を用いた電子回路形成によりオンデマンドに立体電子回路を形成することができるため、低コストでの変量多品種生産が可能となる。さらに、型を用いない基板加工方法によりオンデマンドに立体電子回路を形成することができるため、低コストでの変量多品種生産が可能となる。

また、基板への画像形成により、図柄部分は印刷画像で、発光部分はＬＥＤ実装等で構成することで、印刷画像と電子回路による幅広い表現が可能なポップアップカードとすることができる。

尚、上述の実施形態は本発明の好適な実施の例ではあるがこれに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。

１ 基板
２ ノズル
３ 液滴
４ 導体パターン
５ レーザ照射部
６ レーザ光
７ 基板切り込み線
８ 画像
９ 配線
１０ 実装部品
１１ 発光素子
１２ 駆動モジュール
１３ 基板折り曲げ線
１４ 貫通穴
１５ スピーカ
１６ 駆動モジュール
１７ ＲＦＩＤアンテナ
１８ ＲＦＩＤ用ＩＣチップ

特開２００１−１８８４８９号公報 特開２０１１−２４９５３５号公報 特開２００１−１５６４０７号公報

Claims (3)

1. 基板上に画像を形成する画像形成工程を有する画像基板上立体電子回路の製造方法であって、
   前記画像形成工程の後に、
   前記基板上の画像形成面または画像形成面の裏面に導電性材料をパターン形成する導体パターン形成工程と、
   前記基板上に電子部品を実装する部品実装工程と、
   前記基板を切り込む基板加工工程と、
   前記電子部品の少なくとも１つを前記基板の平面上から該基板の垂直方向の任意の位置に変位させるように、前記基板加工工程による切り込み位置を含んで前記基板を曲げる基板変形工程と、
   を有することを特徴とする画像基板上立体電子回路の製造方法。
2. 前記導体パターン形成工程は、ノズルから導電性インクを吐出して導体パターンを形成する工程を含むことを特徴とする請求項１に記載の画像基板上立体電子回路の製造方法。
3. 前記基板加工工程は、前記基板にレーザを照射することで該基板をカットする工程を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の画像基板上立体電子回路の製造方法。