JP2006516108A - Nano-optical color embossing method and apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ある種の波長において干渉を利用して、あるいはあるいはいわゆる構造色(structure color)によって、純粋な色を生成するためのカラー表面構造の製造方法及び装置、並びにその製造物に関する。 The present invention relates to a method and apparatus for the production of a color surface structure for producing a pure color by using interference at certain wavelengths or alternatively by so-called structure color, and to a product thereof.
上述のような表面構造は、ナノメートル領域内のダイ及びローラーで形成される。そのような方法あるいは製品は、例えば、オーストラリアの1オンス銀貨ドルにより知られている。図7に示すように、オーストラリアドル銀貨の表面には、カラー付きカンガルーが描かれている。従来技術を参照すると、オーストラリアドル銀貨のようなカラー付き表面は、ピグメントを含む塗料層、あるいは同様の層を利用することによって製造される。そのような表面は、ガラスにおいてはかなり長い期間、持続するが、日常的に財布に入れて携帯されるときにはそれほど持続しないという不都合がある。 Surface structures as described above are formed with dies and rollers in the nanometer range. Such a method or product is known, for example, from Australian one ounce silver dollars. As shown in FIG. 7, a colored kangaroo is drawn on the surface of the Australian dollar silver coin. Referring to the prior art, colored surfaces such as Australian dollar silver coins are manufactured by utilizing a paint layer containing pigment, or a similar layer. Such a surface has the disadvantage that it lasts for quite a long time in glass, but not so much when it is routinely carried in a wallet.
それ故、本発明は、この不都合を回避することを課題とし、安価で、信頼性のあるカラーシステムを表面に与え、更に、製品あるいはコインの偽造の可能性を効果的に防ぐための方法を提供することにある。 Therefore, the present invention aims to avoid this inconvenience, and provides a method for providing an inexpensive and reliable color system on the surface and effectively preventing the possibility of counterfeiting of products or coins. It is to provide.
本発明は、干渉の物理的な原理を利用する。これらの構造色は干渉現象に基づき、又、ある種の蝶及び孔雀に観察され得る。光が回折格子構造で回折され、結果として光の入射によって異なり得るカラーをもたらす。本発明の目的は、エンボスによって表面を形成する構造色を生成することに向けられる。エンボスを利用するこの方法は、具体的にコイン、さび防止の金属シート、貴金属類、車両産業に使用されるパーツに利用可能である。例えば、全てのコインあるいは全ての金属シートのような全ての本物のスペアパーツをそのような構造色で偽造防止の安全性のために印を付けることが可能である。 The present invention utilizes the physical principle of interference. These structural colors are based on interference phenomena and can be observed in certain butterflies and peacocks. The light is diffracted by the grating structure, resulting in a color that can vary with light incidence. The object of the present invention is directed to generating a structural color that forms a surface by embossing. This method of using embossing is specifically applicable to coins, rust-preventing metal sheets, precious metals, and parts used in the vehicle industry. For example, all genuine spare parts, such as all coins or all metal sheets, can be marked with such structural colors for anti-counterfeit safety.
本文に記載されるデバイス及び方法は、従来の方法に関連して種々の有利性を与える。塗料が表面に使用されないので、塗料の乾燥を要さない。これは、製品が比較的速く、偽造防止の安全性のための表面を備えて形成され得ることを意味する。加えて、ステンレス鋼シート金属等にパターンを形成するための、シングルダイのコントロールを備えたアーキテクチャも提供される。 The devices and methods described herein provide various advantages over conventional methods. Since no paint is used on the surface, it is not necessary to dry the paint. This means that the product is relatively fast and can be formed with a surface for anti-counterfeit safety. In addition, an architecture with single die control for forming patterns in stainless steel sheet metal or the like is also provided.
この実施形態において、ダイは、旋盤、母型腐食(matrix erosion)あるいはレーザーアブレーション(レーザー研磨)によってナノメートル領域で形成される。他の例としての方法は、ピクセルサイズでのマスターダイの製造であり、その後ワーキングダイを腐食するために利用される。ミクロ構造を有することから単結晶ダイアモンドが有利である。つまり輝度に特定的に有利性がある。 In this embodiment, the die is formed in the nanometer region by lathe, matrix erosion or laser ablation (laser polishing). Another example method is the manufacture of a master die at pixel size, which is then utilized to corrode the working die. Single crystal diamond is advantageous because it has a microstructure. That is, there is a specific advantage in luminance.
[物理的基礎]
可視光は、紫色で約400nm、青で約486nm、緑で約527nm、黄色で約589nm、赤色で約687nmの波長の範囲にある。これらの波長が、図1に示す例のような構造色を形成するために意図される構造の幾何的次元を決める。図1の下部において、観察者の目では、光の反射された一部が色として認識される。このことは、互いの格子の距離がカラー効果に影響を与えることを意味する。反射されない光は格子構造の下に吸収され、視認されない。従って、図1に示される格子構造ステップは、異なる波長を伴った光が様々な格子の間隔に起因して反射するため、光彩を放つカラーの回折格子に影響を与える。
[Physical basis]
Visible light is in the wavelength range of about 400 nm for purple, about 486 nm for blue, about 527 nm for green, about 589 nm for yellow, and about 687 nm for red. These wavelengths determine the geometric dimensions of the structure intended to form a structural color such as the example shown in FIG. In the lower part of FIG. 1, the observer's eyes recognize a part of the reflected light as a color. This means that the distance between the lattices affects the color effect. Unreflected light is absorbed under the grating structure and is not visible. Accordingly, the grating structure step shown in FIG. 1 affects the luminescent color grating because light with different wavelengths is reflected due to the spacing of the various gratings.
更に、パンチ及びダイの製造に関して、回折効果が、蝶あるいは孔雀の羽の色と同様に、エンボス構造の形式で模倣され、回折格子を生成する。例えば、図1に示される構造を反転させた構造が、以下に記載されるようにダイ上に再生成され、その後表面のエンボスに利用される。交差格子の距離が色を決める。ダイは、好適には、その幅の約1/4が表面に入り込む。内部の格子は、残りのカラーを吸収し、ある程度ビロードのようになる、即ち、格子マトリックスに光沢がつくようになり、内部分はラフな状態、つまり凹凸がある状態となる。求められるカラーがそれによって反射されるが、好適ではないカラーは吸収される。 Furthermore, with respect to punch and die manufacturing, the diffraction effect, similar to the color of butterflies or peacock feathers, is imitated in the form of an embossed structure, creating a diffraction grating. For example, an inverted version of the structure shown in FIG. 1 is regenerated on the die as described below and then used for surface embossing. The distance of the intersection grid determines the color. The die is preferably about 1/4 of its width entering the surface. The inner grid absorbs the remaining color and becomes velvety to some extent, i.e., the grid matrix becomes glossy, and the inner part is rough, i.e., uneven. The desired color is reflected thereby, but the unfavorable color is absorbed.
例えば、可視光の波長範囲において、エンボスによって、即ち、冷間成形、冷間熱間成形あるいは保護ガスによる熱間成形によって、金属表面は、対応するカラーが干渉を通じて生成されるように永久的に形成される。 For example, in the visible light wavelength range, by embossing, ie, cold forming, cold hot forming or hot forming with a protective gas, the metal surface is made permanent so that the corresponding color is produced through interference. It is formed.
エンボスされる各カラーの光スペクトルの波長より比較的大きな粒子界を有さないことから、好適には、モノリシック材料がエンボスに関して利用される。例示的なモノリシック材料は、とりわけ、ダイアモンド及びモノリシックに成長した水晶である。しかし、ダイアモンドの硬度は、本文に記載されるナノ光学カラーエンボスに関して有利である。 Monolithic materials are preferably utilized for embossing because they do not have a particle field that is relatively larger than the wavelength of the light spectrum of each color to be embossed. Exemplary monolithic materials are, inter alia, diamond and monolithically grown quartz. However, diamond hardness is advantageous with respect to the nano-optical color embossing described herein.
青ダイアモンドは電気的な半導体であり、シンクエロージョン法によってマスター電極でクローンされ得る。クローンダイは、陰極構造でマスターダイとして生成される。これが様々なワーキングダイを製造することを可能にする。モノシリック半導体水晶がクローン電極として利用され得る。水晶を包含するアクチュエータが、好適に、マスター電極の製造に利用される。そのようなアクチュエータは、例えば、PIフィジックインスルメンツ社(PI:Physik Instruments)から商業的に入手可能である。これらのアクチュエータは、ナノメートル領域でコントロール可能である。記載されたエンボス方法は、カラー表面あるいはいわゆる構造色を製造するためのものであり、カラーピグメントを利用せずに、図1に例示的に示されるように選択表面が永久形成することによって行われる。図1には、溝構造の拡大図が表されるが、矢印によって示される可視光を構造上に入射することよってステップ格子として機能し、光彩な干渉カラーを生成する。 Blue diamond is an electrical semiconductor and can be cloned with a master electrode by the sink erosion method. The clone die is produced as a master die with a cathode structure. This makes it possible to produce various working dies. A monolithic semiconductor crystal can be used as the clone electrode. An actuator containing a crystal is preferably used for the production of the master electrode. Such actuators are commercially available from, for example, PI Physik Instruments (PI). These actuators can be controlled in the nanometer range. The embossing method described is for producing colored surfaces or so-called structural colors, and is performed by permanently forming a selected surface as shown in FIG. 1 without using color pigments. . In FIG. 1, an enlarged view of the groove structure is shown, but when visible light indicated by an arrow is incident on the structure, it functions as a step grating and generates a bright interference color.
パンチは、モノリシック結晶で構成され、特に、レーザ処理によって形成される。エッグ(egg)と呼ばれる卵形の圧力チャンバ内でのメタンデポジションにより得られたモノリシックダイアモンドロールからダイアモンドスリーブを生成し、ダイヤモンドロールとして分離される。このモノリシックダイアモンドスリーブはレーザ処理され、格子状ナノ構造を製造する。この構造を含むダイあるいはロールの硬い表面が他の材料の表面に侵入することで、その材料が永久変形され、構造が中にエンボスされるようにするためである。単結晶(mono-crystal)は、単結晶の再結晶温度より上の温度で、保護ガスの下で永久変形される。このダイあるいはその動きは、上述の侵入によってエンボスされる水晶が破壊されることがないように、コントロールがなされる。互いに異なるダイを配置すること、例えば、それぞれ異なるカラー効果の異なるダイを配置することで、マルチカラープリントが、例えば、カラーマトリックスプリンタにおけるように生成され得る。 The punch is composed of a monolithic crystal, and is formed in particular by laser processing. A diamond sleeve is produced from a monolithic diamond roll obtained by methane deposition in an egg-shaped pressure chamber called an egg and separated as a diamond roll. This monolithic diamond sleeve is laser treated to produce a lattice nanostructure. This is because the hard surface of the die or roll containing this structure penetrates into the surface of another material so that the material is permanently deformed and the structure is embossed therein. The mono-crystal is permanently deformed under protective gas at a temperature above the recrystallization temperature of the single crystal. This die or its movement is controlled so that the crystal that is embossed by the aforementioned penetration is not destroyed. By arranging different dies, for example by arranging different dies with different color effects, a multi-color print can be generated, for example, in a color matrix printer.
集積加熱でエンボスするためのダイ及び母型にはんだ付けされるエンボスダイアモンドが図2に示される。マクロエンボスに関するプレス装置が使用されている。モノリシックダイは、好適にダイアモンドである。図は、ティファニー(Tiffany)として知られる形式と同様の方法で幾つかのエンボスするダイアモンドを配置することによって作成される。ダイは弾力性のある中間軸によって使用され、プレス力を制限する。 A die for embossing with integrated heating and an embossing diamond soldered to the master are shown in FIG. A press device for macro embossing is used. The monolithic die is preferably a diamond. The figure is created by placing several embossed diamonds in a manner similar to what is known as Tiffany. The die is used by a resilient intermediate shaft to limit the pressing force.
図4に示されるプレス力及びエンボス力を絶え間なく制限するシステムは、エンボスエリア1、ダイアモンドキャリア3のはんだ付け支持2に備え付けられるダイアモンド6、シール4、ダイキャリア5、タンク7、チェックバルブあるいは逆止め弁8、ポンプ9、及びオイルクッション10を有する。ナノメートル領域におけるモノ水晶を形成中、保護ガス下での再結晶温度より上の半温間範囲における約800℃でエンボッシングが行われる。従って、水晶格子が求められる形式で永久的に残る。
The system for continuously limiting the pressing force and embossing force shown in FIG. 4 is the embossing area 1, diamond 6 provided on the
ある種の金属、例えば、固有のベースカラーを有する金あるいは銅において、ベースカラーは、銀あるいはステンレス鋼とは対照的に、波長の移相及びそれからの干渉結果によって補償される。材料が再結晶温度を超えた温度で形成されるように、エンボスダイが予め加熱され、エンボスされる材料表面が熱せられる。ダイを製造するためにモノ結晶体ダイアモンドがコバルトでレーザはんだ付けされる。所望のカラーが生成されるように、干渉格子の移相がベース材料に利用される。例えば、ユーロコインの表面には、凹部に、あるいは保護部に囲まれた凹部に星型がエンボスされ、これにより偽造に対する安全性が与えられ、スクラッチあるいはこすりによる摩耗を回避している。これは保護エンボスと称される。好適には、図5及び図6に示されるように、この凹部は、通貨のうち大きさが最も小さいコイン、例えば、1セントユーロコインが、保護用突部があることによって、凹部にはまりこまないようになっている。ダイを製造するために、PI社から入手可能であるマイクロ位置決めテーブルが使用され、これらのテーブルは周波数約3000Hzでオペレート可能な圧電水晶を含むので、素早く調整し得る。これが結果としてプロセス時間の削減をもたらす。 In certain metals, such as gold or copper with an inherent base color, the base color is compensated by wavelength phase shift and interference results therefrom, as opposed to silver or stainless steel. The embossing die is pre-heated and the embossed material surface is heated so that the material is formed at a temperature above the recrystallization temperature. Monocrystalline diamond is laser soldered with cobalt to produce a die. The phase shift of the interference grating is utilized for the base material so that the desired color is produced. For example, a star shape is embossed on the surface of the euro coin in a recess or in a recess surrounded by a protection portion, thereby providing safety against forgery and avoiding wear due to scratching or rubbing. This is called protective embossing. Preferably, as shown in FIG. 5 and FIG. 6, the recess is a coin having the smallest currency size, for example, a 1 cent euro coin, which is stuck in the recess due to the protective projection. There is no such thing. Micro-positioning tables available from PI are used to manufacture the dies, and these tables contain piezoelectric crystals that can be operated at a frequency of about 3000 Hz so that they can be adjusted quickly. This results in a reduction in process time.
ダイは静電気的にコロイドテフロンのナノ粒子でミクロコートされ、洗浄及び潤滑が実行される。最終の洗浄は水の入った超音波浴槽において行われる。マスタ構造を製造するために本物の蝶の羽あるいは孔雀の羽毛(Vanessa lo)がスキャンされ、このスキャンされた構造がダイ材料の塑性変形の浸透深度まで拡大され、その後、この材料はレーザーあるいは電子ビームを通じて除去される。好適に、スキャン等の際に、これらの動物は、鎮静されるだけであり、殺されてはならない。表面構造のアブレーションあるいは研磨は、干渉磁界における微粒子による磁気的なアブレーションによって生じる。周波数によって干渉格子の距離、即ち、生成された波長のカラーを決定する。羽のスキャニングは、ナノメートル領域におけるオーラ写真法(aura photography)を用いて実行され得る。光源は、波長約2nmの放射線スペクトルである。X線写真は5000フィルムにより得られる。この処理は、真空管内で電子ビーム格子によって生じる。材料は、材料の気化により研磨される。エンボスプレートは原子的に研磨される。反射格子は、図3に示されるように格子定数dを有し、d=B'Bであり、エンボスが行われる前に決められる。ユーロコインにおいて、星が保護部に囲まれた凹部にエンボスされ、図5及び図6に示されるように偽造防止のための安全性を与え、スクラッチを回避する。この凹部は、更にダイのセンタリングのために利用される。このダイは、偽造防止角度が与えられている。この偽造防止角度は、所定の観測角、例えば、2つの平面即ちコイン表面に形成された図柄に対する垂線に関して45度の角度でカラーを観測するためである。これは図3に示される。幾つかのエンボスステップを介してそのような偽造防止角度でマルチカラーエンボスを生成するには、エンボスプロセスはかなり複雑な技術が必要となるので、極めて偽造防止効果が高くなっている。 The die is electrostatically microcoated with colloidal Teflon nanoparticles and cleaning and lubrication is performed. The final cleaning is done in an ultrasonic bath with water. A real butterfly or peacock feather is scanned to produce the master structure, and the scanned structure is expanded to the depth of penetration of the plastic deformation of the die material. Removed through the beam. Preferably, during a scan or the like, these animals are only sedated and should not be killed. Ablation or polishing of the surface structure occurs by magnetic ablation with fine particles in an interference magnetic field. The frequency determines the distance of the interference grating, that is, the color of the generated wavelength. Feather scanning can be performed using aura photography in the nanometer range. The light source has a radiation spectrum with a wavelength of about 2 nm. Radiographs are obtained with 5000 films. This process occurs with an electron beam grating in a vacuum tube. The material is polished by vaporization of the material. The emboss plate is atomically polished. The reflection grating has a lattice constant d as shown in FIG. 3, d = B′B, and is determined before embossing is performed. In Eurocoin, a star is embossed in a recess surrounded by a protective part, as shown in FIGS. 5 and 6, providing safety for preventing forgery and avoiding scratches. This recess is further used for die centering. This die is provided with an anti-counterfeit angle. This forgery prevention angle is for observing a color at a predetermined observation angle, for example, an angle of 45 degrees with respect to a perpendicular to a pattern formed on two planes, that is, coin surfaces. This is shown in FIG. Producing multi-color embossing at such an anti-counterfeit angle through several embossing steps is quite highly anti-counterfeiting because the embossing process requires a fairly complex technique.
有利な実施形態において、偽造防止角度が偽造に対する安全性を改善するためにホログラムと組み合わせられ得る。偽造防止角度及び対応するテスト用設備11は、例えば、国立中央銀行のカウント装置において、スペクトラルカメラ及び角度コードを用いてコインが本物であるか否かを確認するために有用である。 In an advantageous embodiment, an anti-counterfeit angle can be combined with a hologram to improve security against forgery. The counterfeit prevention angle and the corresponding test equipment 11 are useful, for example, in a national central bank counting device to check whether a coin is genuine using a spectral camera and an angle code.
ブラッグ条件の干渉を用いて、エシェレット格子のステップが満たされる。比較的純粋なカラー反射がエシェレット格子の条件を満たすことによって生成される。上述した方法が利用されれば、コインの偽造防止を提供する。コインにパンチされた材料の箔のパンチングによりエンボスされ、特定的にエンボスダイによるカラーを備えたナノ光学カラー構造が与えられる。シャットエンボスダイ及び形態エンボスダイで片勾配(super elevation)によってスクラッチされることから、内部エリアを保護する。このエンボスダイは電子ビームで研磨されたモノ水晶、ダイアモンドで形成される。特定的にオーステナイト系金属シートで形成されたプレートは、精密にロールされ、カラーエンボスされる。このダイの表面は、電子あるいはX線ドリルシステムによって研磨、処理される。いわゆるクラスタースパッタリングが図8及び図9に示される。その前にCAD/CAM関連結合がCADシステムによってパラメータが決められて処理される。この方法で、特に、ユーロ硬貨、特に比較的高額硬貨の偽造がより困難になる。ダイアモンドの表面が加熱される。従って、結晶構造における再形成が、材料の再結晶温度を超える温度で可能である。図中の罫線90±5°が互いに関連して調整され、電子ビームによって処理される。交差格子は、再形成中、輝度及び純度が保持されるようにFEM(有限要素法)を用いて形成あるいは処理される。この全体のカラースペクトルは、マルチカラープリントによって生成され得る。ダイアモンドはある種のカラーが予め施され、カットダイアモンドがその後特定的にレーザービームはんだ付けを利用して母型に装着され、ティファニー形式に調整される。 Using the interference of the Bragg condition, the steps of the Echelette lattice are satisfied. A relatively pure color reflection is generated by satisfying the conditions of the echellet grating. If the above-described method is used, it provides forgery prevention of coins. A nano-optical color structure is provided which is embossed by punching a foil of material punched on a coin and specifically with a color by an embossing die. The inner area is protected from being scratched by super elevation with the shut embossing die and the form embossing die. This embossing die is formed of mono quartz or diamond polished with an electron beam. A plate specifically formed of an austenitic metal sheet is precisely rolled and color embossed. The surface of the die is polished and processed by an electronic or X-ray drill system. So-called cluster sputtering is shown in FIGS. Before that, the CAD / CAM association is parameterized and processed by the CAD system. This method makes it particularly difficult to counterfeit euro coins, especially relatively expensive coins. The surface of the diamond is heated. Thus, re-formation in the crystal structure is possible at temperatures above the recrystallization temperature of the material. The ruled lines 90 ± 5 ° in the figure are adjusted in relation to each other and processed by the electron beam. Cross grids are formed or processed using FEM (Finite Element Method) so that brightness and purity are maintained during reshaping. This entire color spectrum can be generated by multicolor printing. The diamond is pre-colored with a certain color, and the cut diamond is then specifically attached to the master using laser beam soldering and adjusted to the Tiffany form.
1あるいはそれ以上の複数のエンボスプレスステップを用いることで、これらのイメージ同期あるいは角度同期のロータリー駆動のエンボスダイを通じて光学式認識システムによってダイが配置される。1あるいはそれ以上のエンボスダイは、図8及び図9に示されるように短波X線レーザを用いてクラスタスパッタリングシステムで処理される。1あるいはそれ以上のダイアモンドは、SP6格子で構成される。ダイアモンドは、剪断応力線のために45度及び90度の下で配置される。従って、エンボスフラックス線は比較的高精度になる。 By using one or more embossing press steps, the die is placed by an optical recognition system through these image-synchronized or angle-synchronized rotary-driven embossing dies. One or more embossing dies are processed in a cluster sputtering system using a short wave X-ray laser as shown in FIGS. One or more diamonds are composed of SP6 lattices. The diamond is placed below 45 and 90 degrees for the shear stress line. Therefore, the embossed flux wire has a relatively high accuracy.
有利性のある実施形態において、請求項1から請求項10が含まれる。これらの請求項に記載されたこのプレス装置は、図示されてないが、例えば、C−プレスと称されるようなコインエンボスにおいて知られている。このエンボスダイは、図4に示されるようにプレス力定数を保持する装置を含む。プレス力定数あるいは力限界を保持するためのこの装置は、ダイを過重及び破損から保護する。このダイは、クラスタスパッタリングレーザ燃焼、即ち光学あるいは磁気レンズを介して製造され、特定的に短波X線レーザを多数の平行配列されたシングルビームに分割する。これが転写の数を比較的小さく保持することを可能にする。ビームの多数分割は、図8及び図9に示されるように、結果として燃焼時間を比較的短くするので、コストの削減をもたらす。 In an advantageous embodiment, claims 1 to 10 are included. The pressing device described in these claims is not shown, but is known, for example, in coin embossing called C-press. The embossing die includes a device that maintains a pressing force constant as shown in FIG. This device for maintaining the press force constant or force limit protects the die from overload and breakage. This die is manufactured via cluster sputtering laser burning, ie optical or magnetic lenses, and specifically splits a shortwave X-ray laser into a number of parallel aligned single beams. This makes it possible to keep the number of transfers relatively small. Multiple splitting of the beam results in a reduction in cost, as shown in FIGS. 8 and 9, resulting in a relatively short burn time.
原文に記載なし。 No description in the original text.
Claims (10)
装置。 An apparatus for imparting a structural color, specifically implemented on a metal structure, comprising at least one apparatus for forming a grating structure, in particular a diffraction grating structure,
apparatus.
請求項1記載の装置。 The apparatus for forming a lattice structure includes at least one embossing die;
The apparatus of claim 1.
請求項2記載の装置。 Said device for forming a lattice and / or a linear structure comprises at least one embossing punch device;
The apparatus of claim 2.
請求項3記載の装置。 The embossing punch device has an embossing mark for embossing a range of wavelengths of visible light as a whole,
The apparatus according to claim 3.
装置。 A device for detecting structural colors, comprising at least one device (11) for transmitting and / or receiving identical spectral waves,
apparatus.
装置。 An embossing punch device comprising at least one monolithic material and comprising at least one embossing structure;
apparatus.
請求項8記載の装置。 Including at least one heating device,
The apparatus of claim 8.
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