JP5407013B2 - 金属ガラス部材表面への画像模様形成方法、画像模様を形成するための装置および表面に画像模様を形成した金属ガラス部材 - Google Patents

金属ガラス部材表面への画像模様形成方法、画像模様を形成するための装置および表面に画像模様を形成した金属ガラス部材 Download PDF

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Description

金属ガラスで形成された部材表面の意匠形成や金属ガラスで形成された機構部品等の表面に装飾模様、画像、文字などを付加するために用いる画像模様形成方法、画像模様を形成するための装置および前記方法によって表面に画像模様を形成した金属ガラス部材に関する。
現在、樹脂製機構製品などの表面の意匠性を高めるために、製品に直接レーザーマーキングする写真画像の刻印が行われている（例えば特許文献１）。同じくレーザー加工を使った金属表面への画像描写も、特許文献２に紹介されている。また樹脂成形用の金型キャビティ内面に、当該樹脂成形品表面へ転写形成されるべき模様をレーザーによって刻印する方法が開示されている（例えば特許文献３）。更に、金属ガラス表面へ微細な模様を付与する方法として、非特許文献４に電子ビームリソグラフィとSiO2エッチングを用いて作成した模様の原盤をNi電鋳で金型に反転させ、その後Pd基金属ガラス合金へ転写成形する方法が紹介されている。
特開2005−152968 携帯電話用画像刻印装置／テクノポリマー（株） 特開2004−115901 アルミニウム合金表面への画像形成方法／アイシン軽金属（株） 特開2004−291288 樹脂成形用金型キャビティ及びその製造方法／サンアロー（株） 「機能材料」2002年7月号，Vol.22，No.7，PR16〜RP17；シーエムシー出版
しかしながら従来の模様形成方法には以下のような課題があった。
(a) まず、特許文献１，２に示される製品に直接レーザーマーキングする方法においては、多数量の製品に位置の精度よく、精細な模様を刻印しようとすると作業効率に無理があり、多大の加工時間を必要とするだけでなく当該作業を実行するために多数の装置を準備しなければならなかった。
(b) 次に、特許文献３では、樹脂成形用の金型キャビティにまずレーザーマーキングし、その後、樹脂製品へ効率良く反転転写して微細な模様を有する樹脂製品を大量に形成することができるが、金属部材は勿論、金属ガラス部材を対象とする模様の形成には利用できなかった。
(c) さらに非特許文献４では金属ガラス部材ヘの模様転写が可能であるが、リソグラフィやNi電鋳を用いるため、金型の作成工程が多く、長時間を要するために高価なものとなっていた。殊に、Ni電鋳の金型は、400℃以下で成形される過冷却液体温度域が低温となるPd基金属ガラス合金には利用できるものの、過冷却液体温度域が400℃以上となり、成形温度も400℃以上で行う必要があるZr，Ti，Cu，Ni，Feを最多量の構成元素とするZr基，Ti基，Cu基，Ni基およびFe基合金には金型強度が不足して適用できないという課題があった。
本発明者らは上述の課題を解決するために、模様形成に必要となる作業工程数が少なく、模様形成作業自体の効率が良く、400℃以上での成形においても適用できるさまざまな方法や条件及び専用装置の製作を試行して実験研究を進めた。その結果、高エネルギー密度光を照射して耐熱性のある金属製金型の表面を模様加工し、この金型を使って、特に過冷却液体温度域が400℃以上となり、成形温度も400℃以上で行う必要があるZr基，Ti基，Cu基，Ni基およびFe基金属ガラスの表面に簡単且つ効率良く反転転写模様を繰り返して形成できるとの知見を得た。
更にその際、金型表面の加工範囲を1辺の長さが10μm以上500μm以下となる矩形のドメインに分割し、各矩形ドメイン内をＭ個×Ｎ個（3≦Ｍ，Ｎ≦10；Ｍ、Ｎは整数）の領域に分割して解像度を決定し、分割したＭ個×Ｎ個の領域についてドットの加工穴を付けるか付けないか(更にはドットの加工穴の深さを制御すること)で金型上に濃淡のついたドットの集合パターンを形成させることで明瞭な画像模様を表現できることがわかった。
このような方法により画像模様が鮮明になり、高エネルギー密度光の照射パターンを制御するNCプログラム作成や照射加工の時間もさらに短縮できるとの知見を得た。かような知見に立脚し、さらに鋭意研究を続けた結果、図1に示した基本構成の装置の下で、本発明の完成に至った。
即ち、「請求の範囲第１項」の「金属ガラス部材(1)表面への画像模様形成方法」は、「Ｚｒ，Ｔｉ，Ｃｕ，Ｎｉ，Ｆｅを最多量の構成元素とするＺｒ基，Ｔｉ基，Ｎｉ基，Ｃｕ基，またはＦｅ基合金である金属ガラス部材(1)の表面に画像模様を形成するための方法であって、
（ａ）画像模様が実像に対して鏡面反転されたビットマップ情報に転換して用意され、前記ビットマップ情報をＮ階調の濃淡となるビットマップ情報に転換し、前記Ｎ階調のビットマップ情報を高エネルギー密度光の出力及び座標制御のためのＮＣデータに転換し、
（ｂ）次に金型加工工程では、該ＮＣデータに従って高エネルギー密度光(15)を微小時間のオン／オフを繰り返し、１回の照射が１ドットの加工穴(24)を形成させながら超硬合金を用いた成形金型(20)表面上を走査させて、前記ＮＣデータに従って画像模様をドットの集合パターンとして成形金型(20)表面に形成する加工を施し、
（ｃ）更に、転写工程では、非酸化性雰囲気内で、この集合パターン形成の金型(20)を用いて金属ガラス部材(1)を過冷却液体温度域(Tg-Tx)内でドットの集合パターン(21)を反転転写成形する金属ガラス部材(1)表面への画像模様形成方法において、
前記鏡面反転されたビットマップ情報のＮ階調のビットマップ情報への転換に当たって、鏡面反転されたビットマップ情報におけるドットの集合パターン(21)へ転換して加工を行う金型に対する加工範囲を、１辺の長さが１０μｍ以上５００μｍ以下となる矩形のドメインに分割し、各矩形ドメイン内をＭ個×Ｎ個（３≦Ｍ，Ｎ≦１０；Ｍ、Ｎは整数）の領域に分割して解像度を決定し、
金型加工工程で、分割したＭ個×Ｎ個の領域について加工穴(24)の深さを０．１μｍ以上１０μｍ以下となるドットの加工穴(24)を付けるか付けないかによって金型上に濃淡のついたドットの集合パターン(21)を形成させる」ことを特徴とする。
「請求の範囲第２項」の「金属ガラス部材(1)表面への画像模様形成方法」は「請求の範囲第１項において、高エネルギー密度光(15)がレーザー光である」ことを特徴とする。
「請求の範囲第３項」は前記方法を実施するための「金属ガラス部材(1)の表面への画像模様形成装置」である。即ち、「成形金型(20)を用いて金属ガラス部材(1)の表面に画像模様を転写形成するための装置であって、
（ａ）画像模様が実像と鏡面反転されたビットマップ情報に転換するためのデジタル処理装置(10)と、
（ｂ）前記鏡面反転されたビットマップ情報における成形金型(20)の画像模様形成面(22)の加工範囲を、１辺の長さが１０μｍ以上５００μｍ以下となる矩形のドメインに分割し、各ドメイン内に割り当てる前記鏡面反転されたビットマップ情報をＭ個×Ｎ個（３≦Ｍ，Ｎ≦10；Ｍ、Ｎは整数）で、加工穴(24)の深さを０．１μｍ以上１０μｍ以下の間で濃淡階調に処理して前記鏡面反転されたビットマップ情報をＮ階調のビットマップ情報に転換した後、さらに前記画像模様形成面(22)へのドット加工穴(24)の有無となる、高エネルギー密度光(15)の出力及び座標制御用のオン／オフ信号を生成するＮＣデータに転換するソフトウェアと、
（ｃ）高エネルギー密度光(15)の出力と微小時間のオン／オフを繰り返しながら走査するための制御用コンピューター(12)と、
（ｄ）制御信号によって高エネルギー密度光(15)を発生させる発振機(14)と、高エネルギー密度光(15)を走査させるためのミラー(19)と、成形金型(20)を保持するための試料ステージ(28)及び、
（ｅ）非酸化性雰囲気下で、過冷却液体温度域（Tg―Tx）内で金属ガラス部材(1)に成形金型(20)の画像模様形成面(22)の鏡面反転画像模様を転写成形する温間成形装置(30)、から構成される」ことを特徴とする。
「請求の範囲第４項」は前記装置にて形成された「金属ガラス部材(1)」で、「請求の範囲第１項又は第２項に記載した方法によって、ビットマップ状に凹凸のあるドットの集合にて濃淡が部材表面に表現されている」ことを特徴とする。
以上から分かるように、本発明方法或るいはその装置によって、金属ガラス、特に、過冷却液体温度域が400℃以上となり、成形温度も400℃以上で行う必要があるZr，Ti，Cu，Ni，Feを最多量の構成元素とするZr基，Ti基，Cu基，Ni基およびFe基金属ガラス合金でも、模様形成に必要となる作業工程数が少なく、しかも多数量の製品に効率が良く且つ位置の精度よく模様形成作業が可能となった。
本発明における装置の基本構成を示す図面 本発明の代表的な画像模様形成方法を示すプロセスチャート 金型上にデジタル写真の反転画像をドットパターン化して描いた本発明の実施例の正面図 合金に“N”の文字を加工した本発明の実施例の正面図 デジタルカメラで作った画像模様を金型にレーザー加工し、さらに金属ガラス板に転写成形した場合の正面図
符号の説明
(1) 金属ガラス部材
(10) ビットマップ処理装置
(12) 制御用コンピューター
(14) 発振機
(15) 高エネルギー密度光
(18) ガルバノメータ光学スキャナ
(20) 成形金型
(21) 集合パターン
(22) 画像模様形成面
(24) 加工穴
(28) 試料ステージ
(30) 温間成形装置
(31) チャンバ
(32) 温度制御ヒータ
(35) 金型搭載用用加圧ダイベース
(36) ワーク加圧ダイベース
以下、本発明の好ましい実施の形態を説明する。図1は本発明の基本的な装置構成である。さらに図２は、本発明の基本となるプロセスの流れを示すチャート図で、「画像模様のデジタル・データ入力」→「鏡面反転させたビットマップ・データの作成」→「ドメインサイズの決定」→「N階調の濃淡となるビットマップ・データに変換」→「高エネルギー密度光(レーザー)出力及び座標制御するためのNCデータに転換」→「高エネルギー密度光(レーザー)出力・走査座標の制御により高エネルギー密度光(レーザー)照射」→「金型表面に反転した画像模様加工」→「金型の画像模様を転写するための金属ガラス部材の温間成形」という手順が採用されている。また、後述するが「ドメインサイズの決定」→「N階調の濃淡となるビットマップ・データに変換」を削除して「鏡面反転させたビットマップ・データの作成」から「高エネルギー密度光(レーザー)出力及び座標制御するためのNCデータに転換」するようにしてもよい。
本発明において、まず「画像模様が実像と鏡面反転されたビットマップ情報に転換して用意される」のであるが、画像はデジタルカメラなどによって取り込まれたデジタル写真やアナログで存在する画像(アナログ写真や絵画その他のアナログ画像)で、データの入力とは、デジタルカメラなどによって取り込まれた前記デジタル写真のデジタル情報やアナログで存在する画像模様をデジタル機器（図示せず）で読み取ってデジタル化し、これらデジタル情報を例えばパソコンのようなビットマップ処理装置(10)でビットマップ化することを意味しており、特にビットマップ処理方法は上記方法に限定される必要はない。この時、画像模様は実像と鏡面反転されたビットマップ情報に転換されることになる。
次に、「高エネルギー密度光(15)を微小時間のオン／オフを繰り返し、1回の照射が1ドットの加工穴(24)を形成させながら成形金型表面(22)上を走査させて、前記ビットマップ情報に従って画像模様をドットの集合パターン(21)として成形金型表面(22)に形成する加工を施す」のであるが、この高エネルギー密度光(15)には、例えば最も扱いやすいYAGレーザー光やYVO4レーザー光が好ましいが、これに限る必要はなく、赤外レーザー、紫外レーザーなどであってもよい。またそれぞれの高調波を取り出した変換波長を持つレーザー光であってもよい。さらには電子線などを利用しても良い。
また、金型(20)は、金属ガラス部材、特に400℃以上の温度で金属ガラス部材への画像転写に使用される場合には、代表的に耐熱性と高硬度を兼備する超硬合金（WC−Co合金）が選択されることが好ましいが、金属ガラスの材質によって適合する別の硬質金属材料、例えば熱間ダイス鋼などが選択されても良い。また、金型(20)は図1に示すようなブロック形状に限定される必要はなく、被転写材である金属ガラス部材(1)の形状に合わせて予め３次元形状としても良い。金型(20)の被加工面(22)は原則として鏡面状態となる滑らかな平坦形状が好ましいが、被加工面(22)の周囲は機械加工やエッチング加工（シボ模様加工）などによって別の模様を付与しておいても良い。
成形金型(20)の画像模様形成面(22)の加工は、「ビットマップ情報に従って画像模様をドットの集合パターン(21)として成形金型表面(22)に形成される」のであるが、本発明では「1辺の長さが10μm以上500μm以下となる矩形(本実施例では正方形を採用)に分割されたドメイン」毎に行われることが好ましい。各ドメインは、縦・横Ｍ個×Ｎ個（3≦Ｍ，Ｎ≦10；Ｍ、Ｎは整数）に割り当てられてドット加工穴処理(穴加工なしも含む)がなされる。金型(20)上の加工範由を1辺の長さが10μm以上500μm以下となる矩形のドメインに分割する理由は、加工速度を規定するためで、10μmよりも小さいと分割が細かすぎてデータ処理や加工時間の点で現実的でないためである。逆に500μmよりも大きいと、処理や加工の時間は短いが画像模様の鮮明さを失い実像に対して著しく見栄えが劣るためである。（なお、ピッチはこの場合、縦・横一定で等しいが、縦・横のピッチ間隔を違えることは可能である。）
また、矩形ドメイン内の分割数をＭ個×Ｎ個の領域とし、Ｍ、Ｎを３以上10以下と限定した理由は、Ｍ、Ｎが３よりも小さいと形状の輪郭を表現するための情報量が減ってしまい、写真などの精細な画像模様をビットマップ化する際に画像品質が極端に落ちるためである。またＭ、Ｎが10よりも大きいと、解像度は増すものの濃淡階調にデータを分解演算処理する際に余りにも時間が長くかかり非効率なためである。（ドメインの分割数は縦・横がＭ・Ｎとしたが、縦・横のピッチを同幅[勿論、異なる幅｛＝長方形ドメイン｝にしてもよいが、]とし、両者同数のＮ[これまで記載のように異数でもよい。]とし、正方形ドメインとしてもよい。）なお、前述のように矩形ドメイン分割を行わず、ビットマップ情報に従って単にドット加工穴処理を行う場合もある。
画像模様の濃淡は、部材表面に形成されたビットマップ状に凹凸が形成されたドットの集合によって表現されるが、これに加えて画像模様の濃淡を表現するドット加工穴(24)の深さを0．1μm以上10μm以下の範囲で変化させてもよい。0．1μm以上10μm以下に限定した理由は、0．1μmよりも浅い穴(24)で表現すると濃淡がはっきりせず輪郭のぼやけた画像模様となってしまうためである。逆に、10μmを超えて深い穴(24)で表現すると、濃淡ははっきりするものの、金属ガラス表面にも凹凸がはっきりと残り、外観上や手肌で触れたときの触感がざらざらしていて好ましくないためである。
このドット加工穴処理は、制御用コンピューター(12)からの制御信号によって、発振機(14)から照射されたレーザー光のような高エネルギー密度光(15)によって実行されるのであるが、前記N階調の濃淡となるビットマップ・データを高エネルギー密度光(レーザー)出力及び座標制御するためのNCデータに転換する。そして、該高エネルギー密度光(15)はガルバノメータ光学スキャナ(18)のミラー(19)に反射して成形金型(20)の画像模様形成面(22)上を走査し、制御用コンピューター(12)搭載のソフトウェアによって制御され、NCデータに基づくオン／オフ信号に合わせてドット加工穴処理を行う。前述のようにドット穴加工の深さが制御される場合は高エネルギー密度光(15)の出力強度による。その場合、前述のように加工穴(24)の深さを0．1μm以上10μm以下となるように高エネルギー密度光(15)の出力制御することになる。ドット穴加工の深さを制御せず、単に一定深さのドット穴加工だけを行う場合も当然ある。
ガルバノメータ光学スキャナ(18)のミラー(19)は制御用コンピューター(12)の指令により高エネルギー密度光(15)の反射角度を変化させ、成形金型(20)の画像模様形成面(22)上を走査させるものである。
制御用コンピューター(12)に搭載された前記ソフトウェアには、画像模様形成面を前記矩形のドメインに分割する分割情報と、各ドメイン内に割り当てるビットマップ情報をＭ個×Ｎ個（3≦Ｍ，Ｎ≦10；Ｍ、Ｎは整数）の濃淡階調に処理した後、さらに前記画像模様形成面へのドット加工穴(24)の有無となるオン／オフ信号に転換する転換情報、(並びに高エネルギー密度光(15)の出力強度を制御する場合にはその出力情報)など、画像模様形成に必要な情報が書き込まれている。
試料ステージ(28)は成形金型を保持するためもので、発振機(14)から照射されたレーザー光のような高エネルギー密度光(15)の被照射側に設置されている。
温間成形装置(30)の概略構成は、図１に示すように、温度制御ヒータ(32)を有するチャンバ(31)と上下一対の加圧ダイベース(35)(36)とで構成され、内部は高真空或いは不活性ガス(ヘリウム、窒素、アルゴンガス等)を充填・通気させ、非酸化性雰囲気内で温間加工が出来るようになっている。金属ガラス部材(1)は図示しない開閉部から出し入れされるようになっている。(なお、温間加工は前述のような非酸化性雰囲気内でなく、大気中でも可能であるが、この場合、温間加工を結晶化前に完了するように迅速に行うことで、金属ガラス部材(1)表面の酸化皮膜が保護皮膜となって内部への酸化侵入を防ぐことが出来、このような条件を満足する限りにおいて大気中温間加工も可能である。)加圧ダイベースは金型(20)を搭載する金型搭載用用加圧ダイベース(35)と金属ガラス部材(1)を金型(20)に押圧するためのワーク加圧ダイベース(36)とで構成されており、本実施例の場合、上側に設けられたワーク加圧ダイベース(36)が昇降して金属ガラス部材(1)を金型(20)に押圧するようになっている。前記金属ガラス部材(1)は温間成形装置(30)内において、加圧時、温度制御ヒータ(32)により過冷却液体温度域(Tg−Tx)内の温度に保持されるようになっている。
これにより、金属ガラス部材(1)への金型(20)による反転転写成形には、過冷却温度域(Tg：金属ガラス転移開始温度〜Tx：金属ガラス転移終了温度 この領域でガラスのような粘性流動特性を持ち、ナノサイズまでの微細部模様を転写する事ができる。)において金属ガラス部材(1)への金型(20)による超精密反転転写成形が可能となる。
使用される金属ガラスは、特にZr基，Ti基，Ni基，Cu基およびFe基合金が好適とされる。その理由は、金属ガラスの中でも比較的広い過冷却液体温度域を持ち、かつ高価な金属元素を主要構成成分としていないので原料が安価となり、最終的にも経済的なプロセスとなるためである。
図３に本発明の実施例を示す。超硬合金金型上にYVO4レーザーを用いてデジタル写真の反転画像をドットパターン化し、前述の方法で描いた例である。さらに図４は本発明の別の実施例で、同じく超硬合金条に“N”の文字を加工したものである。（a）は加工後の表面を斜視した図で、（b）はこれを拡大した図、さらに（c）は上面からドット配列を拡大観察した図である。図5は本発明の別の実施例を示し、デジタルカメラで作った画像模様を金型にレーザー加工し、さらに金属ガラス板に転写成形した場合の図である。
本発明は、特にこれまで実現できていなかった400℃以上で成形する必要があるZr基，Ti基，Ni基，Cu基およびFe基金属ガラス合金製部材の表面に画像模様を形成することができるようになり、これら金属ガラス合金の産業上の有用性を大いに高めることができた。

Claims (4)

  1. Ｚｒ，Ｔｉ，Ｃｕ，Ｎｉ，Ｆｅを最多量の構成元素とするＺｒ基，Ｔｉ基，Ｎｉ基，Ｃｕ基，またはＦｅ基合金である金属ガラス部材の表面に画像模様を形成するための方法であって、
    （ａ）画像模様が実像に対して鏡面反転されたビットマップ情報に転換して用意され、前記ビットマップ情報をＮ階調の濃淡となるビットマップ情報に転換し、前記Ｎ階調のビットマップ情報を高エネルギー密度光の出力及び座標制御のためのＮＣデータに転換し、
    （ｂ）次に金型加工工程では、該ＮＣデータに従って高エネルギー密度光を微小時間のオン／オフを繰り返し、１回の照射が１ドットの加工穴を形成させながら超硬合金を用いた成形金型表面上を走査させて、前記ＮＣデータに従って画像模様をドットの集合パターンとして成形金型表面に形成する加工を施し、
    （ｃ）更に、転写工程では、非酸化性雰囲気内で、この集合パターン形成金型を用いて金属ガラス部材を過冷却液体温度域内でドットの集合パターンを反転転写成形する金属ガラス部材表面への画像模様形成方法において、
    前記鏡面反転されたビットマップ情報のＮ階調のビットマップ情報への転換に当たって、鏡面反転されたビットマップ情報におけるドットの集合パターンへ転換して加工を行う金型に対する加工範囲を、１辺の長さが１０μｍ以上５００μｍ以下となる矩形のドメインに分割し、各矩形ドメイン内をＭ個×Ｎ個（３≦Ｍ，Ｎ≦１０；Ｍ、Ｎは整数）の領域に分割して解像度を決定し、
    金型加工工程で、分割したＭ個×Ｎ個の領域について加工穴の深さを０．１μｍ以上１０μｍ以下となるドットの加工穴を付けるか付けないかによって金型上に濃淡のついたドットの集合パターンを形成させることを特徴とする金属ガラス部材表面への画像模様形成方法。
  2. 請求の範囲第１項において、高エネルギー密度光がレーザー光であることを特徴とする金属ガラス部材表面への画像模様形成方法。
  3. 成形金型を用いて金属ガラス部材の表面に画像模様を転写形成するための装置であって、
    （ａ）画像模様が実像と鏡面反転されたビットマップ情報に転換するためのデジタル処理装置と、
    （ｂ）前記鏡面反転されたビットマップ情報における成形金型の画像模様形成面の加工範囲を、１辺の長さが１０μｍ以上５００μｍ以下となる矩形のドメインに分割し、各ドメイン内に割り当てる前記鏡面反転されたビットマップ情報をＭ個×Ｎ個（３≦Ｍ，Ｎ≦10；Ｍ、Ｎは整数）で、加工穴の深さを０．１μｍ以上１０μｍ以下の間で濃淡階調に処理して前記鏡面反転されたビットマップ情報をＮ階調のビットマップ情報に転換した後、さらに前記画像模様形成面へのドット加工穴の有無となる、高エネルギー密度光の出力及び座標制御用のオン／オフ信号を生成するＮＣデータに転換するソフトウェアと、
    （ｃ）高エネルギー密度光の出力と微小時間のオン／オフを繰り返しながら走査するための制御用コンピューターと、
    （ｄ）制御信号によって高エネルギー密度光を発生させる発振機と、高エネルギー密度光を走査させるためのミラーと、成形金型を保持するための試料ステージ及び、
    （ｅ）非酸化性雰囲気下で、過冷却液体温度域内で金属ガラス部材に成形金型の画像模様形成面の鏡面反転画像模様を転写成形する温間成形装置、から構成されることを特徴とする金属ガラス部材表面への画像模様形成装置。
  4. 請求の範囲第１項又は第２項に記載した方法によって、ビットマップ状に凹凸のあるドットの集合にて濃淡が部材表面に表現されていることを特徴とする金属ガラス部材。
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