JP4570958B2 - ナノ光学カラーエンボスの方法及び装置 - Google Patents

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。

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。

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。

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。

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。

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。

［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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

原文に記載なし。

Claims (2)

1. 可視光が照射されると予め定められた構造色を生成するナノ構造を、金属表面構造に形成するためのシステムであって、
   エンボス構造を有するモノリシック材料から成るダイを少なくともひとつ備える、前記ナノ構造を形成するため装置を少なくともひとつ含み、
   前記モノリシック材料は、前記構造色の光スペクトルの波長より大きな粒界を有さず、交差格子状のエンボス構造が表されており、
   前記構造色は前記交差格子間の距離によって決定される、システム。
2. 請求項１記載のシステムで実行される方法であって、金属シート、スペアパーツもしくはコインの金属表面構造に、前記ナノ構造を形成する方法。

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