JP5419540B2

JP5419540B2 - 構造発色体

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Publication number: JP5419540B2
Application number: JP2009119584A
Authority: JP
Inventors: 正行高橋; 功田代
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2009-05-18
Filing date: 2009-05-18
Publication date: 2014-02-19
Anticipated expiration: 2029-05-18
Also published as: CN101890866A; JP2010264708A; US20100291358A1; CN101890866B; US8920910B2

Description

本発明は、光の反射、干渉、回折、散乱などの物理現象を利用して発色する構造発色体に関する。

従来、この種の構造発色体は、種々の構造のものが知られている。例えば、従来の構造発色体として、特許文献１に記載されたものがある。図１４は、特許文献１に記載された従来の構造発色体の断面図である。

図１４において、従来の構造発色体１０１は、光透過性を有する構成体１０２と、複数の微細構成体１０３とを有している。複数の微細構成体１０３は、構成体１０２と屈折率が異なる材料で構成され、構成体１０２中に規則的に配置されている。また、複数の微細構成体１０３は、ｘ方向の軸に対して角度θ１傾斜した複数の仮想線Ａ１のそれぞれに沿って、一定のピッチＰ１で配置されている。

前記構成を有する従来の構造発色体１０１において、構成体１０２の材料として平均屈折率１．６２のポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）を用い、微細構成体１０３の材料として平均屈折率１．５３のナイロン６（Ｎｙ６）を用い、微細構成体１０３の平均直径Ｄ１を０．１９μｍとし、ピッチＰ１を０．２８とし、角度θ１を３２°とし、入射光Ｌ１を入射角α１＝４５°で照射して、受光角度β１＝４５°で目視により観察した場合、構造発色体１０１は紫青色に発色して見える。また、受光角度β１を変えて目視により構造発色体１０１を観察した場合には、構造発色体１０１は、紫青色から赤緑色に変化して見える。

従来の構造発色体１０１によれば、顔料や染料などの色素を使用せずに色を表現することができるので、色素塗布工程を無くして製造工程の短縮を図ることができるとともに、有機溶剤系塗料を使う必要がないのでＣＯ_２の削減を図ることができる。

特開２００４−１５１２７１号公報

しかしながら、従来の構造発色体１０１を、カメラやテレビジョンなどの電化製品の外装部品などとして使用する場合には、その装飾効果が限定的である。すなわち、従来の構造発色体１０１においては、複数の微細構成体１０３の配置ピッチＰ１を変化させることで、赤色や黄色などの任意の色に発色させることが原理的に可能である。しかしながら、構造発色体１０１を任意の色に発色させるためには、配置ピッチＰ１を非常に高精度（光の波長以下）に調整する必要がある。従って、構造発色体１０１を任意の色に発色させること（例えば、青色と緑色の中間色を表現すること）は容易ではない。また、前記従来の構造発色体１０１においては、単一色を表現することは可能であるものの、部分的に異なる色を表現することはできない。

従って、本発明の目的は、前記問題を解決することにあって、光の反射、干渉、回折、散乱などの物理現象を利用して発色する構造発色体において、装飾効果をより一層向上させることができる構造発色体を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は以下のように構成する。
本発明の第１態様によれば、光の反射、干渉、回折、散乱を利用して発色する構造発色体において、
互いに異なる色に構造発色する複数のセルで構成された構造発色部を組み合わせて構成され、
互いに隣接する前記セルの間に非構造発色部を有し、
前記構造発色部の溝の底部から前記構造発色部の溝の頂部までの距離より、当該距離と同じ方向における前記構造発色部の溝の底部から前記非構造発色部の頂部までの距離が大きく、前記構造発色体を斜め方向から見た場合、視野角が大きい位置では、前記非構造発色部の立壁の高さにより、前記非構造発色部の立壁に遮られて前記セルが見えなくなる
ことを特徴とする構造発色体を提供する。

本発明の第２態様によれば、前記複数の構造発色部は、赤色に構造発色する赤色セルの群と、緑色に構造発色する緑色セルの群と、青色に構造発色する青色セルの群とを含む、第１態様に記載の構造発色体を提供する。

本発明の第３態様によれば、前記複数の構造発色部は、可視光を反射しないセル群又は可視光を全反射するセル群を含む、第１又は２態様に記載の構造発色体を提供する。

本発明の第４態様によれば、前記それぞれのセルは、同一形状で且つ同一サイズである、第１〜３態様のいずれか１つに記載の構造発色体を提供する。

本発明の第５態様によれば、前記それぞれのセルは、互いに重なることなく、隙間無く隣接して配置されている、第１〜４態様のいずれか１つに記載の構造発色体を提供する。

本発明の第６態様によれば、前記非構造発色部は、可視光を反射しない構造を有している、第１〜５態様のいずれか１つに記載の構造発色体を提供する。

本発明の第７態様によれば、構造発色体に対して凹凸反転形状を有する金型を用いて樹脂成形された、第１〜６態様のいずれか１つに記載の構造発色体を提供する。

本発明の構造発色体によれば、互いに異なる色に構造発色する複数の構造発色部を組み合わせて構成されているので、例えば、ブラウン管テレビが赤色、緑色、青色の３色の蛍光体により多様な色の表現ができるのと同様に、各構造発色部の面積比率を変えることにより、多彩な色（中間色を含む３色以上の色）を表現することができる。これにより、装飾効果をより一層向上させることができる。

本発明の第１実施形態にかかる構造発色体の単一セルの斜視図である。本発明の第１実施形態にかかる構造発色体の平面図である。図２の構造発色体の一部を製造する工程を模式的に示す図である。図３Ａに続く工程を示す図である。図３Ｂに続く工程を示す図である。単一セルの形状の第１変形例を示す図である。単一セルの形状の第２変形例を示す図である。単一セルの形状の第３変形例を示す図である。本発明の第２実施形態にかかる構造発色体の構成を示す説明図である。本発明の第２実施形態にかかる構造発色体の基本構成を模式的に示す斜視図である。図６ＡのＡ−Ａ断面図である。本発明の第２実施形態にかかる構造発色体を異なる視野角から見たときの、視線と非構造発色部の立壁との関係を示す説明図である。本発明の第２実施形態にかかる構造発色体を手で触れたときの様子を示す説明図である。金型に溝を形成するための加工装置の構成を示す斜視図である。図９の加工装置が備える３軸工具ユニットの斜視図である。図９の加工装置を用いて、金型に溝を加工する動作を示す模式説明図である。本発明の第２実施形態にかかる構造発色体の模式断面図である。図１２Ａの構造発色体を加工するための金型の模式断面図である。赤色セルの加工時おける、工具の移動タイミングを示す説明図である。従来の構造発色体の断面図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。

《第１実施形態》
本発明の第１実施形態にかかる構造発色体の構造について説明する。本発明の第１実施形態にかかる構造発色体は、互いに異なる色に構造発色する複数（ここでは一例として３つ）の構造発色部を組み合わせて構成されている。各構造発色部は、多数の単一セルで構成されている。図１は、本発明の第１実施形態にかかる構造発色体の単一セルを示す斜視図である。

図１において、破線で囲まれた部分に位置する単一セル１は、光の反射、干渉、回折、散乱などの物理現象を利用して単一色に構造発色するように構成されている。具体的には、単一セル１は、構造発色体の基材に、複数の所定深さ寸法の溝を所定のピッチで規則的に形成した構造を有し、前記複数の溝により特定の波長の光を反射、干渉、回折、散乱等させることで構造発色するよう構成されている。この種の単一セル１においては、前記溝の配置ピッチを変化させることで、単一セル１を任意の色に発色させることが可能である。なお、単一セル１の構造は、前記構造に限定されるものではなく、単一色に構造発色する構造であれば他の構造であってもよい。

また、単一セル１は、本第１実施形態にかかる構造発色体を１つの画面であると仮定した場合、１画素に相当する部分である。このため、単一セル１のサイズは、構造発色体のサイズに対して小さければ小さい程、いわゆる解像度を高くすることにつながるので好ましい。具体的には、単一セル１のサイズは、２５０μｍ角以下であることが好ましい。本第１実施形態においては、単一セル１は、約３０μｍ角のサイズであるものとする。

なお、屋外に設置するような巨大な構造物の外装部品として本構造発色体を使用する場合には、単一セル１のサイズが大きくても（例えば、１０ｍｍ角であっても）、装飾性に支障は無いと考えられる。一方、単一セル１のサイズが可視光の波長よりも小さい場合には、構造発色体は構造発色しない。このため、単一セル１のサイズは、約１μｍ以上とする。

図２は、図１の単一セル１を多数組み合わせて構成した本第１実施形態にかかる構造発色体の平面図である。図３Ａ〜図３Ｃは、図２の構造発色体を製造する工程を模式的に示す図である。ここで、単一セル１のサイズは、前述したように、本構造発色体の全体のサイズに対して非常に小さく設定されている。このため、図３Ａ〜図３Ｃでは、図２の点ａ１，ｂ１，ｃ１，ｄ１を結ぶ実線で囲まれた領域を拡大して示すようにしている。

本第１実施形態にかかる構造発色体は、以下のようにして製造される。
まず、図２に示す所望の図柄を、赤色、緑色、及び青色の３色に色分解する。
次いで、前記色分解により得られた情報に基づいて、赤色に構造発色する単一セルである赤色セルＲ、緑色に構造発色する単一セルである緑色セルＧ、及び青色に構造発色する単一セルである青色セルＢをどの位置に形成するかを設計する。

次いで、図３Ａ〜図３Ｃに示すように、赤色セルＲ、緑色セルＧ、及び青色セルＢを、それぞれ順に、前記設計した位置に形成する。なお、点ａ１，ｂ１，ｃ１，ｄ１を結ぶ実線で囲まれた領域以外の領域についても、図３Ａ〜図３Ｃに示すようにして、赤色セルＲ、緑色セルＧ、及び青色セルＢを形成することは言うまでもない。また、赤色セルＲ、緑色セルＧ、及び青色セルＢの形成順序は、特に限定されるものではなく、どのような順序で形成されてもよい。

前記のようにして、複数の構造発色部として、赤色に構造発色する赤色セルＲの群と、緑色に構造発色する緑色セルＧの群と、青色に構造発色する青色セルＢの群とを有する、本第１実施形態にかかる構造発色体が製造される。

本第１実施形態によれば、塗料や染料などの色素を使用することなく、赤色セルＲ、緑色セルＧ、及び青色セルＢの３色のセルを組み合わせて構造発色体を構成するようにしているので、それらのセルの面積比率を変えることにより、多彩な色（中間色を含む３色以上の色）を表現することができる。これにより、装飾効果をより一層向上させることができる。これは、例えば、ブラウン管テレビが赤色、緑色、青色の３色の蛍光体により多様な色の表現ができるのと同様である。なお、本第１実施形態において、赤色セルＲ、緑色セルＧ、及び青色セルＢは、互いに重ならないように形成される。

なお、本発明は前記第１実施形態に限定されるものではなく、その他種々の態様で実施できる。例えば、前記第１実施形態では、赤色セルＲ、緑色セルＧ、及び青色セルＢの３色のセルを組み合わせて構造発色体を構成する例について説明したが、本発明はこれに限定さない。例えば、前記３色以外の色に構造発色するセルや、黒色を表現するのに都合の良い可視光を反射しないセル、白色を表現するのに都合の良い可視光を全反射するセルなどを用いて構造発色体を構成してもよい。これにより、装飾効果をより一層向上させることができる。また、３色のセルを組み合わせる必要はなく、２色のセルを組み合わせて構造発色体を構成するようにしてもよい。これにより、製造コストを抑えることができる。

また、図３Ａ〜図３Ｃでは、各セルＲ，Ｇ，Ｂの形状をそれぞれ正方形として示したが、本発明はこれに限定されない。例えば、図４Ａに示すように、三角形であってもよい。また、図４Ｂに示すように、六角形であってもよい。さらに、図４Ｃに示すように、円形であってもよい。なお、各セルＲ，Ｇ，Ｂは、それぞれ同一形状及び同一サイズであることが好ましい。これにより、各セルＲ，Ｇ，Ｂを組み合わせて中間色を表現することが容易となるとともに、設計変更が容易となるので汎用性を向上させることができる。また、各セルＲ，Ｇ，Ｂは、図４Ａ及び図４Ｂに示すように、互いに重なることなく、隙間無く隣接して配置することができる形状であることが好ましい。これにより、発色効率を高くすることができる。

また、前記第１実施形態では、多数の単一セル１により構造発色部を構成したが、本発明はこれに限定されない。例えば、１つの単一セル１により構造発色部を構成してもよい。この場合でも、従来の構造発色体よりも装飾効果は高くなる。

《第２実施形態》
本発明の第２実施形態にかかる構造発色体について説明する。図５は、本発明の第２実施形態にかかる構造発色体の構成を示す説明図である。図６Ａは、本発明の第２実施形態にかかる構造発色体の基本構成を示す斜視図であり、図６Ｂは、図６ＡのＡ−Ａ断面図である。本第２実施形態にかかる構造発色体が、前記第１実施形態の構造発色体と異なる点は、互いに隣接する単一セル１の間に非構造発色部２が設けられている点である。

例えば、前記第１実施形態のように、構造発色体の基材に複数の溝を所定のピッチで形成（加工）することにより単一セル１を形成する場合、特に、互いに異なる色に構造発色する単一セル同士の境界部分において、未加工部分（溝が形成されていない部分）が生じてしまうことが有り得る。この未加工部分がランダムに発生すると、装飾効果が低下するおそれがある。

このため、本第２実施形態にかかる構造発色体においては、図５及び図６Ａに示すように、未加工部分である非構造発色部２を各単一セル１の全周に意図的に設けるようにしている。これにより、未加工部分がランダムに発生することによる装飾効果の低下を抑えることができる。また、各単一セル１がそれぞれ独立した構成となることにより、個々の色の滲みが少なくなり、単色としての色の純度が高くなる。従って、高度な色表現が可能となり、装飾効果を一層向上させることができる。

また、本第２実施形態において、非構造発色部２の頂部２ａを、可視光を反射しないように構成すれば、単一セル１の構造発色がより効果的に見え、装飾効果をより一層向上させることができる。

また、本第２実施形態において、非構造発色部２は、図６Ｂに示すように、頂部２ａが単一セル１よりも高くなるように形成されている。これにより、図７に示すように、本第２実施形態にかかる構造発色体を斜め方向から見た場合、非構造発色部２の立壁の高さにより、単一セル１が見える位置と、見えない位置とが発生する。すなわち、視野角βが小さい位置では単一セル１が見える一方、視野角βが大きい位置では非構造発色部２の立壁に遮られて単一セル１が見えなくなる。従って、非構造発色部２の立壁の高さを調整することにより、単一セル１が見える視野角βを制御することができる。これにより、高度な色表現が可能となり、装飾効果をより一層向上させることができる。

また、非構造発色部２の立壁は、図８に示すように、本第２実施形態にかかる構造発色体の表面を手で触った場合に、単一セル１に手が直接触れることを防ぐのに役立つ。これにより、単一セル１が傷ついたり、汚れたりすることを抑えて、長期間の使用による装飾効果の低下を抑えることができる。

本第２実施形態にかかる構造発色体は、当該構造発色体に対して凹凸反転形状を有する金型を用いて樹脂成形することにより製造することができる。金型を用いることで、多数の構造発色体を、容易に得ることができるとともに安価に製造することができる。なお、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、構造発色体の基材に対して直接加工することにより、本第２実施形態にかかる構造発色体を製造しても良い。

次に、本第２実施形態にかかる構造発色体の製造に用いる金型の製造方法について説明する。図９は、金型に溝を形成するための加工装置の構成を示す斜視図である。図１０は、図９の加工装置が備える３軸工具ユニットの斜視図である。

なお、本第２実施形態にかかる構造発色体は、例えば約３０μｍ角の微細な単一セル１を多数組み合わせることにより構成されているので、金型への溝の加工には、例えばナノメートルオーダーの加工精度が求められる。以下に説明する加工装置１０を用いて金型の溝を機械的に加工することは、加工時間の増大や工具の摩耗などの問題があるため、必ずしも好ましくはないが、設計変更が容易であるなどの利点がある。

図９に示す加工装置１０は、例えば１ｎｍの分解能で動作可能な４軸（Ｘ，Ｙ，Ｚ，θ）制御の超精密加工装置である。加工装置１０は、３軸工具ユニット２０と、被加工物１１に対して３軸工具ユニット２０を互いに直交する３軸（Ｘ，Ｙ，Ｚ軸）方向に相対移動させる各テーブル１２〜１４とを備えている。各テーブルは、３軸工具ユニット２０をＸ軸方向に移動させるＸ軸テーブル１２と、３軸工具ユニット２０をＹ軸方向に移動させるＹ軸テーブル１３と、３軸工具ユニット２０をＺ軸方向に移動させるＺ軸テーブル１４とで構成されている。また、加工装置１０は、被加工物１１に対して３軸工具ユニット２０を相対的に円運動させる回転ステージ１５を備えている。３軸工具ユニット２０、各テーブル１２〜１４、及び回転ステージ１５は、制御部１６に接続され、制御部１６により、それらの動作を制御される。制御部１６は、各テーブル１２〜１４及び回転ステージ１５が所定の位置に到達したとき、予め記憶されたプログラムに基づいて、３軸工具ユニット２０に所定の動作をさせるように構成されている。加工装置１０の溝加工動作は、３軸工具ユニット２０によって行われる。

３軸工具ユニット２０は、加工装置１０と同様に、例えば１ｎｍの分解能で動作可能に構成されている。３軸工具ユニット２０は、図１０に示すように、互いに直交する３軸（ｕ，ｖ，ｗ）方向に動作するアクチュエータとしての圧電素子２１〜２３を備えている。これら３つの圧電素子２１〜２３の交点には、ツールホルダ２４を介して工具（例えばダイヤモンド工具）２５が取り付けられている。また、３軸工具ユニット２０は、各圧電素子２１〜２３の動作変位を測長することを目的として、３つのギャップセンサ２６〜２８を備えている。各ギャップセンサ２６〜２８は、具体的には、工具２５が取り付けられているツールホルダ２４の変位を測長する。３つのギャップセンサ２６〜２８は、それらの延長線が一点に交わるように配置され、その交点に工具２５の先端が位置している。また、３つのギャップセンサ２６〜２８は、アッベ誤差が最小となるように配置されている。

図１１は、前記構成を有する加工装置１０を用いて、金型に溝を加工する動作を模式的に示している。なお、金型の溝が、単一セル１の互いに隣接する溝間の凸部の形成に用いられ、金型の互いに隣接する溝間の凸部が、単一セル１の溝の形成に用いられることは言うまでもない。

図１１に示すように金型に溝を加工するには、例えば、次のような動作を行えばよい。
なお、金型への溝の加工動作は、予め記憶されたＮＣプログラムに基づいて、制御部１６の制御の下で行われる。

まず、Ｙ軸テーブル１３を駆動して、工具２５を、溝加工始点位置の上方までＹ軸方向に移動させる。
次いで、Ｚ軸テーブル１４を駆動して、工具２５を、金型と接触するまで下降させる。
次いで、Ｙ軸テーブル１３を駆動して、工具２５を溝加工終点位置までＹ軸方向に移動させる。これにより、金型に一本の溝が形成される。
次いで、Ｚ軸テーブル１４を逆駆動して、工具２５を溝加工終点位置の上方に退避させる。
次いで、Ｙ軸テーブル１３を駆動して、工具２５を元の位置に戻す。
次いで、Ｘ軸テーブル１２を駆動して、工具２５を所定距離、Ｘ軸方向に移動させる。なお、前記所定距離が、単一セル１が発色する色に影響を与えることは言うまでもない。
以下、前記動作を繰り返すことで、金型に、単一セル１を形成するための複数本の溝が形成される。

なお、前記のようにして形成される金型の溝の両端、すなわち、工具２５の入口側（溝加工始点側）と出口側（溝加工終点側）には、図１１に示すように、幅Ｗ１、Ｗ２のつなぎ目が生じる。これらのつなぎ目の幅Ｗ１、Ｗ２は、加工装置１０による加工においては、約５μｍ程度である。例えば、前記第１実施形態のように、単一セル１同士が非構造発色部２を介さず隣接する構成の構造発色体においては、これらのつなぎ目が装飾効果を低下させるおそれがある。

以下に、前記つなぎ目を生じさせない加工方法について説明する。

図１２Ａは、本発明の第２実施形態にかかる構造発色体の模式断面図である。図１２Ｂは、図１２Ａの構造発色体を加工するための金型の模式断面図である。図１２Ａ及び図１２Ｂから分かるように、金型３０は、構造発色体の単一セル１に対応する位置に凸部３１Ｒ，３１Ｂ，又は３１Ｇを有し、非構造発色部２に対応する位置に凹部３２を有するように形成されている。凸部３１Ｒは、赤色セルＲを加工するものであり、凸部３１Ｂは、青色セルＢを加工するものであり、凸部３１Ｇは、緑色セルＧを加工するものである。なお、凹部３２の加工方法としては、特に限定されるものではないが、例えば、シェーパー加工、エンドミル加工などの機械加工や、レーザ加工などを利用することができる。

図１３は、赤色セルＲの加工時おける、工具２５の移動タイミング（ここでは、Ｙ軸テーブル１３及びＺ軸テーブル１４の駆動タイミング）を示す説明図である。図１３から分かるように、工具２５を上下動させる位置は、凹部３１に対応する位置としている。これにより、工具２５が凸部３１Ｒを加工している間は、工具２５の高さを一定にすることができ、工具２５が上下動した痕跡、すなわちつなぎ目を無くすことができる。

なお、前記では、金型に溝を加工するのに、超精密機械加工装置である加工装置１０を用いたが、本発明はこれに限定されない。例えば、レーザ加工や，半導体のリソグラフィ技術を応用した加工技術を用いてもよい。

なお、前記様々な実施形態のうちの任意の実施形態を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。

本発明にかかる構造発色体は、装飾効果をより一層向上させることができるので、例えば、テレビジョンやカメラなどの電化製品の外装部品等として有用である。

１単一セル
２頂部
１０加工装置
１１被加工物
１２Ｘ軸テーブル
１３Ｙ軸テーブル
１４Ｚ軸テーブル
１５回転ステージ
２１〜２３圧電素子
２４ツールホルダ
２５工具
２６〜２８ギャップセンサ
３０金型
３１Ｒ，３１Ｂ，３１Ｇ凸部
３２凹部
Ｒ赤色セル
Ｇ緑色セル
Ｂ青色セル

Claims

光の反射、干渉、回折、散乱を利用して発色する構造発色体において、
互いに異なる色に構造発色する複数のセルで構成された構造発色部を組み合わせて構成され、
互いに隣接する前記セルの間に非構造発色部を有し、
前記構造発色部の溝の底部から前記構造発色部の溝の頂部までの距離より、当該距離と同じ方向における前記構造発色部の溝の底部から前記非構造発色部の頂部までの距離が大きく、前記構造発色体を斜め方向から見た場合、視野角が大きい位置では、前記非構造発色部の立壁の高さにより、前記非構造発色部の立壁に遮られて前記セルが見えなくなる
ことを特徴とする構造発色体。
前記複数の構造発色部は、赤色に構造発色する赤色セルの群と、緑色に構造発色する緑色セルの群と、青色に構造発色する青色セルの群とを含む、請求項１に記載の構造発色体。
前記複数の構造発色部は、可視光を反射しないセル群又は可視光を全反射するセル群を含む、請求項１又は２に記載の構造発色体。
前記それぞれのセルは、同一形状で且つ同一サイズである、請求項１〜３のいずれか１つに記載の構造発色体。
前記それぞれのセルは、互いに重なることなく、隙間無く隣接して配置されている、請求項１〜４のいずれか１つに記載の構造発色体。
前記非構造発色部は、可視光を反射しない構造を有している、請求項１〜５のいずれか１つに記載の構造発色体。
構造発色体に対して凹凸反転形状を有する金型を用いて樹脂成形された、請求項１〜６のいずれか１つに記載の構造発色体。