JP5374562B2

JP5374562B2 - 電子機器用およびフラットパネルディスプレー用の改良金属フレーム

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Publication number: JP5374562B2
Application number: JP2011219558A
Authority: JP
Inventors: ペカー，アタカン; エル．ジョンソン，ウィリアム
Original assignee: リキッドメタルテクノロジーズ，インコーポレイティド
Priority date: 2001-06-07
Filing date: 2011-10-03
Publication date: 2013-12-25
Anticipated expiration: 2022-06-07
Also published as: CN1526030A; DE60221127T2; JP5244282B2; EP1404884A2; EP1404884B1; US20030062811A1; US6771490B2; ATE366829T1; AU2002332399A1; KR20040007668A; JP2012046826A; WO2003009088A2; WO2003009088A3; JP2005509090A; CN1239730C; KR100908420B1; EP1404884A4; DE60221127D1

Description

本発明は電子機器用の改良された金属フレームに関し、特に、ＦｅおよびＺｒ基のバルク凝固アモルファス合金およびバルク凝固アモルファス合金複合材料に関する。

従来の電子装置は機能面で便宜的に２つの部分に分割できる。すなわち、電子装置の本来の機能を持つ電子部分と、この電子部分を機械的に保護する外殻フレームである。最良の保護は、電子装置の作動部品（１個または複数個のマイクロプロセッサ、メモリー装置、ストーレッジ装置など）をフレームで機械的に封入してしまうもので、例えば携帯用コンピュータ、パーソナルデータアシスタント（ＰＤＡ）、携帯電話などがある。

例えば、携帯型パソコン（一般にノート型パソコンと言われる）の場合、上部ケースと下部ケースとから成るハウジングが、画面（スクリーン）、コンピュータ本体、インタフェス装置を支持し収容している。典型的には、このハウジングはコンピュータを構成する種々の部品を一緒に固定するための搭載構造体でもある。ロジックボードやディスクドライブと言った種々の部品が上部ケースや下部ケースにネジなどの締結手段を用いて取り付けられる。電磁干渉（ＥＭＩ）に対する保護のため、ハウジングの上下両ケース内に遮蔽材料のシートを配置したり、対象部品を金属構造物で取り囲んだりして、周囲の影響から隔離する。典型的なノートパソコンケースなどの携帯電子装置ケースの作製に際しては、全体を軽量化しつつ、装置の処理能力、メモリー容量、耐衝撃性を高める努力がなされている。

この目的を達成するために、多数の設計要素が利用されている。まず、電子装置の小型化には、電子部品を小型化し、軽量の薄型パネルディスプレーを組み込んでいる。次に、コンピュータの種々の部品を搭載しかつ衝撃から隔離するための構造体を最小限の寸法とし、そして実際には、典型的のハウジングは埋め込み成形補強材（molded-in reinforcement）、リブ、搭載用ボスを成形体の部品搭載用内側表面に備えている。典型的には、ノートパソコン内の種々の回路基板は、埋め込み成形されたボスやリブに直接ネジ止めされている。最後に、装置の軽量化のために、ほとんどの場合、ハウジングケースは軽量高剛性のプラスチックや複合材料で作製される。

上記のような携帯コンピュータ製造法は実用性が高いが、なお改良の余地がある。例えば、材料の観点では、プラスチックや複合材料は、軽量であるし、大部分の電子機器ケースに要求される複雑な形状への成形も容易であるが、金属に比べて構造的な強度や耐久性が一般に不十分である。また、金属ではなくプラスチックや複合材料を用いた場合、ケースと電子部品との間に別個のＥＭＩ保護層を設けなくてはならない。

しかし、ケース全体を金属で作製すると重量やコストが増加して、軍事用途のような特殊な場合以外は実用的でない。例えば、プラスチックケースに伴う強度と耐久性の問題を解消するために、携帯コンピュータの上下ケースをダイキャスト金属で作製する試みが行なわれている。これにより確かに強度および耐久性は高まるが、重量が携帯には適さず、コストも高い。また、種々の補助部材をシート金属で作製した例もあるが、期待したような強度向上は得られていない。その上、従来の金属は大部分が成形性不足である。

近年、マグネシウム合金の軽量と高強度に着目した研究が進められている。しかし、マグネシウム合金は従来からあるＡｌ基合金などと比べて塑性加工性が非常に劣る。そのため現状では、マグネシウム合金は通常はダイキャストで製造されている。しかし、マグネシウム合金は薄肉製品のダイキャストが極めて難しいため、まだ比較的肉厚の製品に限られている。その上、マグネシウム合金鋳物には、鋳物にとって致命的とも言える気孔などの鋳造欠陥や酸化物系などの介在物が含まれて、これが表面に露出することがある。鋳造欠陥や介在物は、マグネシウム合金鋳物の機械強度を劣化させるし、表面に露出していると耐食性や外観に悪影響を及ぼす。

また、マグネシウム合金鍛造材やその他の混成結晶性合金材料は耐食性が向上するかもしれないし、軽量フレームでかつ従来の金属と同等の機械強度を持つかもしれないが、これらの金属では弾性限界（材料が塑性変形しないで弾性変形できる能力）について全く考慮が払われて来なかった。結果として、一般に電子機器用のケースは弾性限界が非常に低い金属で作られており、応力によるエネルギーを蓄える能力が低く、変形要因となる応力が負荷されたときに永久変形を起こし易い。

前述の背景から、携帯型電子機器の重量や製造コストを上昇させずに、構造体としての堅牢性や耐久性を高めた電子機器用ケースが求められている。

米国特許第５，２８８，３４４号米国特許第５，３６８，６５９号米国特許第５，６１８，３５９号米国特許第５，７３５，９７５号米国特許第６，３２５，８６８号特開２００１−３０３２１８号公報米国特許第６，０２７，５８６号米国特許第５，９５０，７０４号米国特許第５，８９６，６４２号米国特許第５，３２４，３６８号米国特許第５，３０６，４６３号米国特許第５，３４２，３６８号米国特許第５，８９６，６４２号米国特許第５，２３７，４８６号

本発明は、約１．５％以上、望ましくは焼く２．０％以上の弾性限界を含めて物理的機械的性質を改善した電子機器用金属フレームであり、望ましくは、Ｚｒ／ＴｉまたはＦｅ基のバルク凝固アモルファス合金およびバルク凝固アモルファス合金複合材料で少なくとも一部が作製されている高成形性の金属フレームである。

一実施形態においては、バルク凝固アモルファス合金は、それぞれ原子％でａ＝３０〜７５、ｂ＝５〜６０、ｃ＝０〜５０である分子式（Ｚｒ、Ｔｉ）_ａ（Ｎｉ、Ｃｕ、Ｆｅ）_ｂ（Ｂｅ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｂ）_ｃで表される合金群から選択される。もう1つの実施形態においては、他の遷移金属、望ましくはＮｂ、Ｃｒ、Ｖ、Ｃｏを２０原子％以下含有してよい。

別の実施形態においては、合金群は原子％でａ＝４０〜７５、ｂ＝５〜５０、ｃ＝５〜５０である分子式（Ｚｒ、Ｔｉ）_ａ（Ｎｉ、Ｃｕ）_ｂ（Ｂｅ）_ｃで表される。別の実施形態にいては、アモルファス合金の複合材料を用いて所望の剛性、耐衝撃性、熱伝導性をフレームに付与する。この実施形態においては、合成を高めるための補強材として、カーボンの繊維またはプリフォーム、ＳｉＣの繊維またはプリフォームを用いることができる。この実施形態においては、補強材は複合材料体積の２０％〜８０％であることが望ましい。別の実施形態においては、補強材の形状および方位を調整することにより、例えば金属フレームの長さ方向と幅方向について所望の性質（例えば弾性率）にすることができる。

別の実施形態においては、フレームの形状の調整により、剛性と柔軟性の組合せを向上できる。この実施形態においては、ハニカム状、波状などの望みの形状を用いることができる。

別の実施形態においては、金属フレームはプラスチック、アルミニウムなどのような他の材料で作られた部分を備えていても良い。

別の実施形態においては、アモルファス合金は硬さの値が約４ＧＰａ以上、望ましくは５．５ＧＰａ以上となるように選択する。

別の実施形態においては、アモルファス合金は降伏強度が約２ＧＰａ以上となるように選択する。

別の実施形態においては、アモルファス合金は破壊靭性が約１０ksi√in(ksi・ksi^1/2)以上、望ましくは２０ksi√in(ksi・ksi^1/2)以上となるように選択する。

別の実施形態においては、アモルファス合金は密度が６．５g/cc以下、望ましくは４．５g/cc以下となるように選択する。

別の実施形態においては、アモルファス合金は少なくとも、弾性限界と、硬さ、降伏強度、破壊靭性、密度のうちの１種類との２種類の性質が前記の範囲内となるように選択する。

別の実施形態においては、アモルファス合金は少なくとも、弾性限界と、硬さ、降伏強度、破壊靭性、密度のうちの２種類との３種類の性質が前記の範囲内となるように選択する。

別の実施形態においては、別の実施形態においては、本発明の金属フレームは金属フレームアセンブリを構成する少なくとも１つの部分を含む。フレームが２以上の部分で構成される実施形態においては、１つの部分が電子機器を収容し、もう１つの部分がフラットパネルディスプレーを収容する。この実施形態においては、金属フレームの各部分はボルト締結、クランプ締結、接着、リベット留め、溶接などの種々の接合方法により、個々の収容物を固定する。

別の実施形態においては、アモルファス合金フレームは、衝撃や振動を減衰させるためにリブあるいは支持プラットフォームのような構造を備えるように設計することにより、ハードディスクドライブのような影響を受け易い部品を保護する。

別の実施形態においては、アモルファス合金および複合材料のフレーム設計を例えば１ミクロン以下の寸法で高度化する（機能的、人間工学的、意匠的に精緻に設計する）。

別の実施形態においては、本発明はＰＤＡ、携帯電話、ノート型コンピュータ等の携帯用電子装置に特化して設計したフレームである。

別の実施形態においては、本発明はアモルファス合金の電子装置用フレームの製造方法である。この実施形態においては、アモルファス合金をそのガラス転移温度付近で鋳造あるいは成形することにより、細部まで再現させ、複雑な形状の金属ケースを実現する。

別の実施形態においては、金属フレームをアモルファス合金および複合材料のシートからスタンピングおよび／または型成形により作製する。この実施形態においては、スタンピングおよび／または型成形はガラス転移温度付近で行なうことが望ましい。別の実施形態においては、金属フレームはアモルファス合金および複合材料のシートから例えば水ジェット、レーザ切断、放電加工のような機械加工や切断によって作製する。金属フレームは金属鋳型鋳造や金属含浸法（アモルファス合金複合材料の場合）などの種々の形態の鋳造法によっても作製できる。

別の実施形態においては、金属フレームは機械加工、切断、スタンピング、型成形により種々のスロットと孔を具備し、電子機器、フラットパネルディスプレーの作動時に発生する熱の冷却効果を高める。この実施形態においては、金属フレームが機械加工、切断、スタンピング、型成形により種々のスロットと孔を具備することにより、内部音響システムおよびスピーカーのための性能も高められる。最後に、金属フレームが機械加工、切断、スタンピング、型成形により種々のスロットと孔を具備することにより、キーボード、マウス、トラックパッドなどの種々のアクセサリやアタッチメントのためのスペースができる。

図１は、本発明の一実施形態によるキーボードフレームの模式図である。図２は、本発明の一実施形態によるフラットパネルスクリーンフレームの模式図である。図３は、本発明の一実施形態によるキーボード／フラットパネルディスプレー組合せフレームの模式図である。図４は、本発明の一実施形態によるフラットパネルスクリーンフレームの模式図である。図５は、本発明の一実施形態によるヒンジ連結フレームの模式図である。図６は、本発明のアモルファス材料の性質を示すグラフである。図７は、本発明のアモルファス材料と従来の材料の性質を比較して示すグラフである。図８は、本発明のアモルファス材料と従来の材料の性質を比較して示すグラフである。図９は、本発明のアモルファス材料と従来の材料の性質を比較して示すグラフである。図１０は、本発明のアモルファス材料と従来の材料の性質を比較して示すグラフである。図１１は、本発明のアモルファス材料と従来の材料の性質を比較して示すグラフである。図１２は、本発明のアモルファス材料と従来の材料の性質を比較して示すグラフである。図１３は、本発明のアモルファス材料と従来の材料の性質を比較して示すグラフである。図１４は、本発明の一実施形態によりフレームを製造する方法のフローチャートである。

本発明は、弾性限界が約１．５％以上、望ましくは約２．０％以上の材料で少なくとも一部が作られていて物理的機械的な性質を改良してある金属フレームに関し、望ましくは、Ｚｒ−ＴｉまたはＦｅ基のバルク凝固アモルファス合金またはバルク凝固アモルファス合金複合材料のような成形性の優れた材料で作られたフレームに関する。本明細書中ではこのフレームを電子機器用フレームまたはケース、あるいはバルク凝固アモルファスフレームまたはケースと呼称する。

本発明の電子機器用フレームの代表例を図１〜５に示す。図示したように、金属フレーム１０は、電子装置の部品４０を収容する収容器２０を壁部３０が構成し、収容した部品４０の操作に用いる開口部５０を備えている。しかし、本発明の金属フレームは図１〜５に示したような基本的な部品を備えているが、ケース自体と、収容器および開口部の個数、寸法、形状と、収容されている電子機器部品の性質、形状、寸法とは、電子装置の性質に応じて多種多様である。例えば、本発明の金属フレームは、例えばＰＤＡやノート型コンピュータのようなデータ蓄積装置や機械操作装置、ディジタルカメラやディジタルビデオカメラのようなマルチメディア記録装置、ＣＤプレーヤーやＤＶＤプレーヤーのようなマルチメディアプレーヤー、ポケベルや携帯電話のような伝達装置などの電子装置に用いることができる。

図１〜４は、種々の電子装置用に設計した金属フレームの実例である。例えば、図１のケース１０は、キーボード４０のようなユーザーインタフェス用の単一の開口部５０を備えていて、設置型または携帯型のコンピュータの遠隔制御装置や部品としてのスタンドアローン装置といて用いられる。図２のケース１０は、フラットパネルディスプレー４０用とユーザーインタフェスまたはアクセスポート４０’用に２つの開口部５０を備えていて、ＤＶＤプレーヤー用や携帯型コンピュータの部品として用いられる。図３のケース１０は携帯電話用またはＰＤＡプレーヤー用で、２つの開口部５０は１つがフラットパネルディスプレー４０用でもう１つが１セットの制御ボタン４０’用である。また、図４のケース１０は、大きな単一の開口部５０がフラットパネルテレビジョン用等のヴューパネルとして用いられる。

図示したように、いずれの金属フレームも、種々の寸法・形状の収容器２０と、種々の寸法・形状の壁部３０と、種々の寸法・形状の電子部品４０と、種々の寸法・形状の開口部５０とを備えている。そして、図示の装置は開口部が２つ以下であるが、開口部の個数と位置は用途に依存するだけである。例えば、冷却用、保守用、種々の寸法・形状・個数のアクセサリ用の開口部を付加できる。

図１〜４のケースおよびフレームは、電子装置の作動部品を一体構造に収容してあるが、分離型または取付型の別体構造に収容することもできる。図５に示したのはその一例で、２つの部分を蝶番で連結した構造のケースである。このケースの一方の部分６０はフラットパネルディスプレーを収容し、もう一方の部分７０はユーザーインタフェス用または他の部品用である。

上記各ケースの組み立て工程の詳細は省略するが、フレームが２つ以上の部分から構成される場合（例えば図５の例）は、各部分同士の接合と内容物の固定は、ボルト締結、クランプ締結、接着、リベット締結、溶接などで行なうことができる。また、合金フレームがリブ、支持プラットフォームなどの構造を備えても良い。

上記各図ではケースを前から見た斜視図のみで示したが、いずれの場合も金属フレームは反対側の端部や背面もカバーしている。また、５つの例のみを図示したが、本発明の金属フレームは、電子装置の電子部品を収容・保護するのに適した種々の形状・寸法とすることができる。例えば、携帯型コンピュータ用の金属フレームが米国特許第５,２３７,４８６号および第４,５７１,４５６号に開示されている（これらの開示内容は全て本発明の参考とした）。

図１〜５に示したケースおよびフレームは電子部品を収納する主収容器として設計されているが、これらの他に、本発明の電子機器フレームは、既に全体が収納された状態になっている電子装置を更に収納するのにも用いることができる。例えば、ＰＤＡ、携帯電話、ノート型コンピュータのキャリングケースとして用いて装置を二重に保護することもできる。

以上、本発明の電子機器フレームの構造、形状、機能に着目して説明した。しかし、発明の背景の項で述べたように、電子機器フレームの主な問題点はケースの耐久性とケース全体の重量との兼ね合いである。電子装置用のケースおよびフレームは、単位重要当りの耐久性がある程度以上必要であり、すなわちフレームは十分な保護機能を発揮しながら十分に軽量でなくてはならない。

ケースの耐久性を設定するに当って、フレーム材料を選定するための物理的なパラメータが多数ある。従来の電子機器フレームおよびケースの場合、技術者が材料選定で第一に考慮したのは、極限引張強さ（σ_ＵＴＳ）すなわち材料が破断するまでに負荷される応力の最大値ができるだけ大きいと、そして弾性係数（荷重形態によってヤング率または曲げ弾性率）ができるだけ大きいことであった。更に、軽量フレームを作るための材料選定として、比極限引張強さ（密度に対する極限引張強さの比）ができるだけ大きいこと、そして、比弾性率（密度に対する弾性率の比）ができるだけ大きいことであった。これらの材料パラメータの主たる意味は、破断までに全体として負担できる最大荷重とフレーム全体の変形量である。しかし、破断までの負担可能な最大荷重およびフレーム全体としての変形量は個々のフレーム設計によって大きく変わり得る。

例えば、同一材料・所定重量での変形を最小化するには中実棒よりもＩ形梁の方が有効である。したがって、必要な複雑形状に材料の成形・組み立てが可能なら、このような複雑な設計によって材料の構造的な短所を直ちに効果的に救済できる。

これらの性質は、フレームの負担できる最大荷重と、フレームが撓んだり変形したする能力の指標にはなるが、フレームの耐久性を十分に表すものではないし、押し付け、押し込み、突き刺し等の物理的外部作用による応力に対する部品保護の能力を十分に表すものでもない。また、これらのパラメータは、変形を生じさせる応力等による変形に対するケースの反応を十分に表すものでもない。もう１つ重要なのは、上述の設計的対処は選定した材料の物理的な欠点をある程度は補完できるが、耐久性の不足や、物理的外部作用に対する保護の不足を救済することはできない、という点である。

上述のような変形に対するケースの反応を説明するには、用いた材料の弾性限界（ε_ｆ）を考慮する必要がある。弾性限界とは、材料が永久変形しないで物理的に変形できる量である。降伏強度と弾性限界との関係を図６の応力／歪曲線に模式的に示す。

電子機器用ケースの製造に対する材料の適性を決める際の弾性限界の重要性は、図７に最もよく表される。この図では、電子機器用ケースの製造に高級材料として頻繁に用いられている従来のＴｉ合金のような高硬さ軽量材料と、本発明のバルク凝固材料とについて、応力／歪曲線を対比して示す。図示したように、従来材料は降伏点が比較的高いが、弾性限界が低ければ、軽微な変形も永久変形になる。これに対し、本発明のケースは降伏強度が高く、弾性変形量が大きくなっている。

本発明によるケースの耐久性向上に果たす弾性限界の重要性は、図８の模式的曲線同士の比較により明示される。すなわち、図８に描いた２つの曲線下の面積は、落下とか打撃のような応力のエネルギーを弾性的に（永久損傷なしで）蓄積する能力を２種類の仮想材料について示したものである。図示のように、弾性限界が高い材料を選定すると、等しい降伏強度を持つ従来材料に比べて、遥かに大きいエネルギーを蓄積する（弾性変形しつつ）能力がある。そのため、本発明によって作製したケースは、弾性限界が１．５％以上の材料で形成され、それにより、使用中の永久変形や完全破壊し難くなっている。

上述の性質は全て、材料の密度（ρ）すなわち体積当りの重量を考慮することにより更に明示できる。例えば、重量に対する降伏強度または弾性限界の比を用いて、本発明の電子機器用フレームとしてのアモルファス合金材料の適性を決めることができる。１つの有用な評価方法は密度に対する弾性限界の比であり、下式で定義される。

ε_ｆ／ρ・・・・・・・・（１）
また、密度に対する降伏強度の比も上記の比と組み合わせて用いることができ、下式で表される。

σ_ｙ・・・・・・・・・・（２）
弾性限界比を用いて、望ましくは上記２つの比の組合せを用いて、適した材料の範囲を決定できる。

上記の望ましい機械的性質に加えて、電子機器用フレーム、特に使用環境・操作条件共に厳しい条件下に置かれる携帯型電子装置にとっては耐食性が非常に重要である。

最後に、発明の背景の項で述べたように、金属製の電子機器フレームに関して次に重要な問題は、必要な複雑形状の物を効率良く製造することである。複雑形状物を製造するには、型成形と鋳造が最良であり、他の方法、例えば鍛造で製造した場合などは、後処理機械が必要になる。しかし、Ａｌ基合金等の従来材料の大部分は型成形性も鋳造性も低い。そのためケースおよびフレーム用に選択される材料は細密成形性を持たなくてはならない。

材料の成形性は種々の方法で評価でき、例えば、ダイキャビティで再現可能な最小寸法、成形に要する成形温度や歪速度、最終製品の許容寸法公差で評価できる。

例えば、本発明の電子機器用ケースには細密寸法が必要なので、細密成形性を持つ材料だけが利用可能である。例えば、本発明の一実施形態においては、本発明の電子機器用フレームの形成に適しているのは、１００ミクロンオーダで表面形態（模様、粗さ）を再現できる材料のみである。

適切な機械的耐久性、耐食性、成形性を得るために、本発明はバルク凝固アモルファス合金で作られた電子機器用フレームであり、特にＺｒ−Ｔｉ基またはＦｅ基のバルク凝固アモルファス合金で作られた電子機器フレームである。

バルク凝固アモルファス合金とは、５００Ｋ／秒以下の遅い速度で冷却しても実質的にアモルファス構造が得られる合金群を指す。このようなバルク凝固アモルファス合金は厚さ０．５ｍｍ以上に製造できるものであり、これは最大鋳造可能厚さ０．０２０ｍｍで冷却速度１０^５Ｋ／秒以上を必要とした従来のアモルファス合金より遥かに厚い。更に、バルク凝固アモルファス合金の冷却速度が上記のように遅くてよいの、鋳造、型成形やプラスチック材料のような熱可塑鋳造などを含めて多種多様な方法で成形できる。

図９に示すように、バルク凝固アモルファス合金は弾性歪限界が１．５％以上であり、一般に２．０％程度である。比較として、従来の金属は弾性歪限界が０．６％以下である。前述したように、弾性歪限界は重要なファクターであり、弾性限界が高いと電子装置に対する拘束作用が大きくなる。例えば、電子機器ケースが落下したり打撃を受けたりした場合、周りを取り囲んでいる金属は引き伸ばされ、衝撃を蓄積して弾性的に反応する能力は、収容されている電子部品の永久損傷を防止する重要なファクターとなる。したがって、弾性限界が高いほど、電子機器ケースが内部の電子部品を安全に保持できる度合いが高まる。また、図１０に示すように、バルク凝固アモルファス合金は降伏強度が１．６ＧＰａ以上であり、これは従来の金属より遥かに高い。材料の降伏強度が高いほど、損傷原因となる力に対して抵抗力が高まる。更に、バルク凝固アモルファス合金は、その固有の原子構造により、ＣＤ、ＤＶＤ、標準ハードディスクドライブなどのデータ蓄積装置のように衝撃に影響され易い電子部品に対して、衝撃や振動を減衰させる作用がある。

すなわち、バルク凝固アモルファス合金はバルクアモルファス金属に特有の高降伏強度と高弾性限界との組合せにより、電子部品の収納体金属として非常に有用である。アモルファス合金を用いた具体例については、米国特許第５,２８８,３４４号、第５,３６８,６５９号、第５,６１８,３５９号、第５,７３５,９７５号に開示されている（これらの開示内容は全て本発明の参考とした）。

以上説明したように、電子機器用フレームとして形成された状態で弾性限界が約１.５％以上、望ましくは約２．０％以上であって、下記の物理特性すなわち約４ＧＰａ以上、望ましくは５．５ＧＰａ以上の硬さ、約２ＧＰａ以上の降伏強度、約１０ｋsｉ√ｉｎ以上、望ましくは２０ｋsｉ√ｉｎ以上の破壊靭性のうちから選択した少なくとも１つの物理特性を備えているバルク凝固アモルファス合金であれば本発明に用いることができる。

また、材料強度の対重量比を高めるために密度は約８．５ｇ／ｃｃ以下とすべきである。すなわち、密度に対する降伏強度の比（式（１））は０．２以上が望ましく、密度に対する弾性限界の比（式（２））は０．１７以上が望ましい。

望ましい実施形態においては、上記特性のうち少なくとも２つと上記望ましい範囲内の弾性限界との組合せが得られるようにバルク凝固アモルファス合金を選定する。最も望ましい実施形態においては、上記特性のうち少なくとも３つと上記望ましい範囲内の弾性限界との組合せが得られるようにバルク凝固アモルファス合金またはバルク凝固アモルファス合金複合材料を選定する。

これらの特性は所望の電子機器ケースのタイプに応じて種々に組合せ可能である。例えば、望ましい実施形態においては、電子機器用金属フレームは弾性歪限界が１．５％以上の金属で作製される。別の実施形態では、ケースは弾性歪限界が１．５％以上でありかつ硬さが４ＧＰａ以上である金属製である。別の実施形態では、弾性歪限界が１．５％以上でありかつ硬さが５．５ＧＰａ以上である金属を用いる。更に別の実施形態では、弾性限歪限界が１．５％以上でありかつ破壊靭性が１０ｋsｉ√ｉｎ以上である金属を用いる。もう１つ別の実施形態では、弾性歪限界が１．５％以上でありかつ破壊靭性が２０ｋsｉ√ｉｎ以上である金属を用いる。更にもう１つ別の実施形態では、弾性歪限界が１．５％以上でありかつ降伏強度が２ＧＰａ以上である金属を用いる。

複数の特性を必要とする実施形態においては、電子機器用金属フレームは弾性歪限界１．５％以上、硬さ４ＧＰａ以上、破壊靭性１０ｋsｉ√ｉｎ以上の金属か、または、弾性歪限界１．５％以上、硬さ５．５ＧＰａ以上、破壊靭性２０ｋsｉ√ｉｎ以上の金属で作製する。

材料の密度を考慮する必要がある実施形態においては、電子機器用金属フレームは弾性限界が１．５％以上であり、密度が６．５ｇ／ｃｃ以上または４．５ｇ／ｃｃ以上である金属で作製する。

要するに、電子機器用ケースには弾性限界１．５％以上の金属材料を用いる。また、望ましい実施形態においては、電子機器に用いる金属材料は硬さが４ＧＰａ以上、望ましくは５．５ＧＰａ以上である。より望ましい実施形態においては、金属材料は破壊靭性１０ｋsｉ√ｉｎ以上、更に望ましくは破壊靭性２０ｋsｉ√ｉｎ以上である。更に望ましい実施形態においては、金属材料は密度６．５ｇ／ｃｃ以下である。これらはフレームの材質特性であって、金属フレームの構造特性ではない。バルク凝固アモルファス合金を用いることによって初めて本発明のこれら望ましい特性が得られる。

また、大部分の電子機器用フレームおよびケースには多種多様なコーナー部や角度付き部分があるため、アモルファス合金材料は長時間にわたって成形性を維持できなくてはならない。図１１〜１３に示すように、バルクアモルファス合金は融点以上からガラス転移温度に至る温度域で流動性を維持しているので、ガラス転移温度以下で大きな応力を蓄積することが無い。更に、バルクアモルファス合金の凝固収縮は従来金属の凝固収縮より遥かに小さい。上記の特性を備えているため、バルクアモルファス合金は、型成形でも鋳造でも、変形を生ぜずに、しかもコストのかかる成形後処理工程を必要とせずに、電子機器用ケースの非常に複雑な形状に成形できる。

すなわち、一実施形態においては、示差走査熱量測定（ＤＳＣ：differential scanning calorimetry）で求めたΔＴｓｃ（過冷却液体領域）が３０℃以上、望ましくは６０℃以上、最も望ましくは９０℃以上であり、材料がガラス転移範囲付近で長時間成形可能であるバルク凝固アモルファス合金のみを用いる。この実施形態では、「ガラス転移範囲付近」とは、成形操作がガラス転移より高温、ガラス転移点より僅かに低温、またはガラス転移点で、ただし結晶化温度Ｔｘより低温で可能である、という意味である。最終的な成形製品がアモルファス合金素材の高い弾性限界を維持できるように、型成形の温度と時間は下記の表１に示した最高温度（℃）に従って制限することが望ましい。

表中、Ｔmaxは型成形の最高許容温度、Ｔmax(Pr.)は望ましい最高許容温度、Ｔmax(M.Pr.)は最も望ましい最高許容温度である。

表中、Ｔg、Ｔｓc、Ｔxは標準ＤＳＣ（２０℃／分で走査）により求めた。Ｔgはガラス転移の開始温度、Ｔscは過冷却液体領域の開始温度、Ｔxは結晶化の開始温度である。ΔＴscはＴxとＴscとの差である。全て温度の単位は「℃」である。

上述の機械特性、耐食性、成形性を備えたＺｒ−Ｔｉ基のバルク凝固アモルファス合金群の１つは、下記分子式で表される。(Ｚｒ、Ｔｉ)ａ(Ｎｉ、Ｃｕ、Ｆｅ)ｂ(Ｂｅ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｂ)ｃ、ここで原子％でａはほぼ３０〜７５の範囲内、ｂはほぼ５〜６０の範囲内、ｃはほぼ０〜５０の範囲内である。上記分子式はバルク凝固アモルファス合金の全種類を包含するものではない。例えば、上記バルク凝固アモルファス合金は他の遷移金属例えばＮｂ、Ｃｒ、Ｖ、Ｃｏを総量で約２０原子％まで含有できる。１つの典型的なバルク凝固アモルファス合金は分子式(Ｚｒ、Ｔｉ)ａ(Ｎｉ、Ｃｕ)ｂ(Ｂｅ)ｃで表され、原子％でａはほぼ４０〜７５の範囲内、ｂはほぼ５〜５０の範囲内、ｃはほぼ５〜５０の範囲内で表される。１つの典型的なバルク凝固アモルファス合金組成は、Ｚｒ_４１Ｔｉ_１４Ｎｉ_１０Ｃｕ_１２．５Ｂｅ_２２．５である。更に望ましい組成は(Ｚｒ、Ｔｉ)ａ(Ｎｉ、Ｃｕ)ｂ(Ｂｅ)ｃ、原子％でａはほぼ４５〜６５の範囲内、ｂはほぼ７．５〜３５の範囲内、ｃはほぼ１０〜３７．５の範囲内である。もう１つ、ＢｅＺｒＴｉ基ではない望ましい合金群は、(Ｚｒ)ａ（Ｎｂ、Ｔｉ）ｂ(Ｎｉ、Ｃｕ)ｃ(Ａｌ)ｄで表され、原子％でａは４５〜６５の範囲内、ｂは０〜１０の範囲内、ｃは２０〜４０の範囲内、ｄは７．５〜１５の範囲内である。更に、上記ＺｒＴｉ基バルク凝固アモルファス合金は非常に耐食性が高い。

もう１つ、本発明に適したバルク凝固アモルファス合金は鉄系金属（Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ）基の組成である。その例として、米国特許第６,３２５,８６８号（A. Inoue et. al., Appl. Phys. Lett., volume 71, p 464(1997))、（Shen et al., Mater. Trans. JIM, volume 42, p 2136(2001))、および日本特許出願：特願2000-１２６２７７（特開2001-303218）に開示されている（これらの開示内容は本発明の参考とした）。これら合金の典型的な組成の一例はＦｅ_７２Ａｌ_５Ｇａ_２Ｐ_１１Ｃ_５Ｂ_４である。またもう１つ典型例はＦｅ_７２Ａｌ_７Ｚｒ_１０Ｍｏ_５Ｗ_２Ｂ_１５である。これらの合金はＺｒ基合金に比べると成形性は低いが、厚さ０．５ｍｍ程度以上には成形できるので本発明に用いるには十分である。また、これらの合金の密度は６．５g/cc〜８．５g/ccと一般に大きいが、硬さが７．５ＧＰａ〜１２ＧＰａ以上と高いので高耐摩耗性の必要な用途には特に魅力的である。同様に、これらの材料は弾性歪限界が１．２％以上、降伏強度が２．５ＧＰａ〜４ＧＰａである。

Ｚｒ−Ｔｉ基およびＦｅ基のバルク凝固アモルファス合金群は、その特有な物理的特性の組み合わせのため、本発明の電子機器用フレームの作製に適している。

図７〜図１３に示したように、本発明のバルク凝固アモルファス合金は、永久変形も破断もせずに１．５％以上の歪を発揮でき、かつ／または、約１０ksi√in以上、更には約２０ksi√in以上の高い破壊靭性を発揮でき、かつ／または、約４ＧＰａ以上、更には約５．５ＧＰａ以上の高い硬さを発揮できる。従来の材料と比較すると、適したバルクアモルファス合金は降伏強度レベルが約２ＧＰａ以上に達し、現状のＴｉ合金のレベルを超えている。

一般に、バルクアモルファス合金中に結晶が析出すると物理特性、特に靭性や強度にとって非常に有害なので、結晶質析出物の体積率は極力小さくすることが一般に望ましい。しかし、場合によってはバルクアモルファス合金の製造プロセスで延性のある金属結晶相がその場析出するが、延性析出物はバルクアモルファス合金の特性、特に靭性および延性に良い影響を及ぼすこともある。１つの典型例はC.C. Hays et al., Physical Review letters, vol. 84, p 2901, 2000に開示されている（この開示内容は本発明の参考とした）。

以上では純粋なバルクアモルファス合金を説明したが、例えばＳｉＣ、ダイアモンド、炭素繊維、モリブデン等の金属などの材料との複合材料として製造することもできる。バルクアモルファスマトリクス複合材料の形成に用いることができる方法は種々あり、溶湯含浸法や熱可塑成形法がある。バルクアモルファス金属の複合材料は米国特許第５,８８６,２５４号および第５,５６７,２５１号に開示されている（これらの開示内容は全て本発明の参考とした）。バルクアモルファスマトリクス複合材料は炭素繊維等の種々の補強材（強化材）を含有するので、機械特性を個々の要請に合致させることができる。例えば、補強材として炭素繊維を５０vol％まで含有させると、密度が３．５g/ccまで低下し、弾性率は３００ＧＰａまで増加して、高い比合成率（ヤング率／密度）が得られる。この数値は、炭素繊維やＳｉＣ粒子または繊維などの材料をもっと高い体積率で含有させれば更に向上する。更に望ましくは、炭素繊維、ＳｉＣ粒子、および他の金属例えばモリブデンを組合せたバルクアモルファス合金混合複合材料を作れば、曲げ強度５ＧＰａ以上で靭性および高強度を備えかつ３g/cc〜６g/ccという低密度の複合材料が得られる。この実施形態においては、補強材は複合材料の２０vol％〜８０vol％が望ましい。

以上では複合材料の作製方法の詳細は説明しなかったが、補強材の方位および形状は調整可能であり、例えば、金属フレームの長手方向および幅方向について所望特性（剛性など）を最適化するように補強材を配列することができる。また、複合材料の補強材料は、用途に応じて材料特性を調整するのに適した形状すなわち繊維状、粒子状、ウィスカ状およびその他の形状で供給される。

バルク凝固アモルファス合金の金属フレームおよび複合材料は、ダイアモンド、ＴｉＮ、ＳｉＣのような耐火高硬度材料を０．０１０ｍｍまでの厚さに被覆することにより、更に高硬さとして耐久性を高めるように作製できる。バルク凝固アモルファス合金はこれらの薄い被覆の有効な下地となるので引っ掻き疵や欠け脱落に対する保護が向上する。

また、金属フレームに意匠的あるいは色彩的な処理を更に施すこともできる。例えば、金属フレームに適当な電気化学的処理例えば陽極酸化（金属の電気化学的酸化）を施すことで青、紫などの所望の色を付与して意匠性を高めることができる。このような陽極酸化被膜自体に更に付加する（すなわち有機・無機の着色、潤滑剤など）ことができるので、陽極酸化処理した金属フレームに更に意匠的なあるいは機能的な処理を施すことができる。この実施形態においては、従来の陽極酸化処理方法を適宜利用できる。

以上では本発明の金属フレームへのバルク凝固アモルファス合金の適用に着目したが、金属フレームの他の部位の作製に従来材料を用いることもできる。例えば、フレームの内壁あるいは外壁にポリウレタン、ポリカーボネート、ポリアミド、ポリアミドコポリマーなどの熱可塑性材料の装飾層や保護層を１層または複数層施すこともできる。また、合成熱硬化性発泡体のフィラーコアを接着フィルムで囲んで金属フレームとその外側の装飾壁または保護壁との接着機能を付与することができる。

本発明は、バルク凝固アモルファス合金から電子機器用フレームを作製する方法をも提供する。図１４は、本発明のバルク凝固アモルファス合金製品を形成するプロセスを示すフローチャートである。素材の準備工程（工程１）では、型成形の場合には素材はアモルファス状態の固体片であり、鋳造の場合には素材は融点より高温の合金溶湯である。次に、上記溶湯を融点以上の温度から所望形状に鋳造して冷却するか（工程２ａ）、上記固体の素材をガラス転移温度以上に加熱して所望形状に型成形する（工程２ｂ）。本発明において鋳造方法は特に限定する必要はなく、永久鋳型鋳造法、ダイキャスト法、平坦流鋳造のような連続鋳造法を用いることができる。ダイキャスト法は米国特許第５,７１１,３６３号に開示されている（その開示内容は本発明の参考とした）。同様に、種々の型成形法を用いることができ、例えばブローモールディング法（素材の一部分をクランプしておき、クランプしていない領域の両面に圧力差を負荷する）、型成形（素材をダイキャビティー内に押し込む）、レプリカ型の表面形態を転写（リプリカ）する方法などがある。米国特許第６,０２７,５８６号、第５,９５０,７０４号、第５,８９６,６４２号、第５,３２４,３６８号、第５,３０６,４６３号（各開示内容は本発明の参考とした）に開示された方法は、バルク凝固アモルファス合金のガラス転移特性を活用した型成形品の形成方法である。本発明のアモルファス合金製品の仕上げ（工程３）に後続処理を加えることができるが、バルクアモルファス合金および複合材料の機械特性を得るには、鋳造ままあるいは型成形ままの状態で十分であり、熱処理や機械加工等の後続処理を必要としない。また、一実施形態においては、バルク凝固アモルファス合金および複合材料は２段プロセスによって複雑なニアネットシェープに成形される。この実施形態では、鋳造物および成形体の精度およびニアネットシェープ（最終製品近傍形状）が得られる。

一方、金属フレームはバルク凝固アモルファス合金および複合材料のシートからスタンピングおよび／またはダイフォーミングによって作製することもできる。スタンピングおよびダイフォーミングは米国特許第５,３４２,３６８号および第５,８９６,６４２号（いずれの開示内容も本発明の参考とした）に記載されているようにガラス転移温度の近傍で行なうことが望ましい。金属フレームはバルク凝固アモルファス合金および複合材料を機械加工および切断して作製することもできる。機械加工および切断の望ましい例として、水ジェット、レーザ切断、放電加工がある。また、金属フレームに機械加工、切断、スタンピング、ダイフォーミングにより種々のスロットや穴を開けて、電子機器やフラットパネルディスプレーの作動中に発生する熱に対する冷却効果を高めるようにしても良い。この実施形態では、金属フレームに機械加工、切断、スタンピング、ダイフォーミングにより種々のスロットや穴を開けて、内部音響システムやスピーカーの性能を高めるようにしても良い。最後に、もう１つの実施形態では、金属フレームに機械加工、切断、スタンピング、ダイフォーミングにより種々のスロットや穴を開けて、キーボード、マウス、トラックパッド等の種々のアクセサリ類などの付属品のためのスペースを形成するようにしても良い。

実際に用いる形成方法によらず、電子機器用フレームの残部位は従来の製造方法を用いてバルク凝固アモルファス合金の周囲に形成しても良い（工程４）。例えば、本発明による携帯型コンピュータ用の電子機器用フレームの形成方法が米国特許第５,２３７,４８６号に開示されている（その開示内容は本発明の参考とした）。

図１〜５には比較的簡単な構造の電子機器用フレームを示したが、バルク凝固アモルファス合金および複合材料で作られた構造体を形成するニアネットシェープ法を利用すれば、機械特性を更に向上させた電子機器用フレームの複合材料構造のデザインを洗練させ向上させることができる。

以上、特定の実施形態について説明したが、バルク凝固アモルファス合金製電子機器用フレームおよびその製造方法について本発明の範囲内で種々の変形態様が可能である。

Claims

電子機器用金属フレーム（但し、時計外装部品を除く。）であって、
収容器を少なくとも１つ構成する壁部を有する本体を備え、
前記収容器は少なくとも１つの電子部品の少なくとも一部を収納するように構成されており、
前記本体の少なくとも一部がバルク凝固アモルファス合金で形成されており、
前記バルク凝固アモルファス合金は弾性限界が１．５％以上である、
ことを特徴とする電子機器用金属フレーム。