JP4261347B2 - 表示装置及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、周囲の表面に一体化したタイプの、発光文字及び記号表示装置に関するものである。

発光ユニットを適切なパターンで点灯することにより活性化される黒の地として見える表示装置が公知であり、前記パターンは黒く見える地により隠される。そのような地は、例えば暗色ガラスで作られ、前記暗色ガラスを通して適切なマトリックスに配設された発光ダイオードからの光が光る。非作動の状態では、表示装置又は表示器が表面に存在することが目に見えず、またこれは機器の工業デザインの特徴として利用可能である。文字を任意の表面、即ち黒く見える表面への依存がない任意の表面に表示することが可能な装置が公知である。これは、表示器の前に置かれたプロジェクターからの投射を必要とし、またこれは家庭用機器には適さない。さらに、光導体としてのガラス板の様々な応用例が公知であり、そこでは、エッジに当たる光が、ガラス要素の平面で読まれる文字を提供する。言及された構造のどれもが、例えば金属表面の使用を許容しないが、機器の一部に関してはガラス表面が必須である。しかしながら、例えばアルミニウムで作られた、機器の一部の前面をもつことが望まれており、前記アルミニウムは、ブラシ研磨により作られるが、しかしあるいは完全に光沢を有するものでもよい。

アルミニウムのシートに透光性を与えるために、穴を開けることが必要であり、また近接して配設された多数の穴が、ある照明状態の下で切れ目のない金属表面のように見える構造物を提供し、そこでは発光ダイオードのマトリックスの作動が発光文字を提供する。しかし、他の照明状態の下では、それが実際には穴のマトリックスであることが明らかに見られ、また発光文字は、軸線周りの狭い角度、つまりほとんど前面だけから見られる。更に、穴あけは、表面上の酸化物保護層の局部的な破壊を生み出し、これが光を屈折させて表示フィールドの存在を明らかにする。透明な表面上に真空蒸着されたアルミニウムが、透光性と完全に金属の反射にみえることの両方であることがわかっているが、これらの技術の使用はやはりガラス材料の存在を必要とし、前記ガラス材料は、周囲のアルミニウム表面の中に嵌め込まれるか、又は全表面を覆わなければならず、その結果、無地のアルミニウムの構造的印象が壊される。

実際に、明らかに無地で金属性であるが透光性の表面の機能性を多くの（例えばステンレス鋼のような）鉄材料又は（例えばアルミニウム、チタン、若しくは亜鉛及びそれらの合金のような）非鉄材料に関して獲得することが望ましい。前述の外見における制限に従属しない表示装置を提供することが本発明の目的である。この目的は、以下の構築物で達成されるものである。その構築物とは、材料内のキャビティが背面から形成されて、前から後へ向かって見た構築物が、視覚上の外見及び感触に関して、周囲の表面のための保護層と一体化して同一である外側保護の透明又は透光性の層、並びに鉄又は非鉄材料の透光性の層、並びに情報の表示のための光源へのアクセスを提供する前記層のための補強構造を具備するという点で特有である。

本発明の実施例は、外側保護の透明若しくは透光性の層が、使用される鉄又は非鉄金属に適合させられた金属ラッカーの期待された硬さ、強靭性、及び透明性を示すタイプのラッカー層であるという点で特有である。そのような条件に適うラッカー、ワニス、又はエナメルの実際の選択は、金属の表面処理の分野で働く当業者には周知の仕事である。エナメルは、当該のエナメルの溶融温度より高い溶融温度を有する合金又は純金属のためにガラス質であってよい。

アルミニウムを使用する本発明の更なる実施例は、前表面から中心の方へ見られたキャビティの底が、周囲の表面の酸化物層と一体の外側透明酸化物層と、アルミニウムの透光性の層とを具備するという点で特有である。

本発明の更なる実施例では、前記の層のための補強構造物が、光源用の取付具としてさらに機能する。

本発明の有利な実施例は、補強構造物が、寸法的に安定な注入コンパウンドで作られている点で特有であり、前記注入コンパウンドは、光が全面的に外側の層まで運ばれるように、外側の層を支持しまた光源用の取付具を保持する。注入コンパウンドが、硬化の間に収縮若しくは膨張のいずれも示さないことが重要であるが、これは前記収縮若しくは膨張は、表示領域として機能する材料の前面の外見に変化を引き起こすためである。注入コンパウンドは、光源が可能な限り前面に近接して配設されるように、光源も支持するに違いない。

可能な限り高い構造の温度安定性を得るために、取付具が素材に使用された金属と基本的に同じ金属の要素であるがキャビティの寸法を適切に縮小された金属の要素であるという点、及び注入コンパウンドが透光性であって金属要素とキャビティとの間の隙間を埋めるという点にある、本発明の更なる利点に従って、同様の特性の材料が使用される。

表示装置の局部的発熱をより少なくもする、単純化された構造により、取付具は、より遠い光源からの光を運ぶ光ファイバーの端部を保持する。

更に単純化された構造により、低消費電力の発光ダイオードが、表示領域として機能する前表面に近接して使用される。

本発明は、表示装置の製造手順にも関係し、また本発明は、それが少なくとも次の段階を含んでなるという点で特有であるが、次の段階は必ずしも列挙された順序でなくともよい。その段階とは、１）最終的なキャビティに一致する形状と、前面上の保護層にひずみが生じない十分な材料を残す深さとをもつキャビティが素材に形成される段階と、２）保護の透光性若しくは透明な層が素材の前表面に付着される段階と、３）例えばレーザーアブレーション又は同様の原子レベルでの材料の除去のような、エッチング類似の工程が、適切な透光性が得られるまでキャビティの底に実施される段階と、４）底に残っている材料が酸化に対して保護される段階と、５）補強構造物がキャビティの中に配置される段階と、６）補強構造物とキャビティとの間の残された空間にコンパウンドが注入される段階と、７）光源が補強構造物の中に配設される段階とである。この方法では、キャビティを準備するための工程は、選択された材料に従って熟練者により決められる。例えば、いくつかの材料では、フライス加工、又は旋盤加工、又は研削加工を用いることが好都合であり、これに対して、他の材料では、材料が流動するところの較正された部分的打ち抜きのより速い作業でよく加工される。キャビティの形成は表面模様付け（それは表面保護とは異なるとみなされる）の前か後に行われ、前記表面模様付けは、ブラシがけ、ショットピーニング、又は研磨により行われる。キャビティの作成は、放電加工を含む多段階工程であり得る。熟練者は、方法に含まれる全ての部分的工程が、特有の生産物に適しているかどうかを判断するであろう。

アルミニウムで作られた素材を用いる有利な方法は、以下の段階を含んでなることで特有であるが、以下の段階は必ずしも列挙された順序にある必要はない。その段階とは、
１）最終的なキャビティに一致する形状と、前面上の酸化物層にひずみが生じない程の十分な材料を残す深さとをもつキャビティが素材にフライス加工される段階と、２）例えばレーザーアブレーション又は同様の原子レベルでの材料の除去のような、エッチング類似の工程が、適切な透光性が得られるまでキャビティの底に実施される段階と、３）底に残っている材料の一部が電気分解で酸化アルミニウムに変換される段階と、４）光源用の取付具がキャビティに嵌め込まれる段階と、５）光源用の取付具とキャビティとの間に残った空間にコンパウンドが注入される段階と、である。

材料の制御された除去のための有利な方法は、材料に高出力レーザーからのパルスを受けさせることにあり、またこの技術の他の多くの応用例とは対照的に、工程を制御することは、レーザー制御回路に結び付けられた適応光センサーを用いてアルミニウム素材の前面側、つまり材料からの反射への依存はない前記前面側から、レーザーにより直接的に到達した透光性を計測することによって、実現可能である。融蝕高出力レーザーの波長にもよるが、透光性の計測用に別個の光源、特に、表示器に組み込まれることになる光源と同じ波長分布を有する光源を使用することが有利である。

本発明は、添付図面を参照して詳細に説明される。

図１に、本発明による表示装置の構造が示される。適切な表面処理を施されたアルミニウムプレート３が、キャビティを備えており、前記キャビティの中に注入コンパウンド２が注入され、前記注入コンパウンド２は光源固定要素１を取り囲む。ａ）では、表示装置の外観が、“ＡＬＵＤＩＳＰＬＡＹ”と表示するパターンで発光した場合で示される。ドットマトリックスパターンを表示するために使用される円の大きさは、光の各点の大きさは示さないが前記光の各点の知覚される輝度を示す。表示装置のスイッチが切断されたとき、表示領域とアルミニウム材料の周囲の表面処理との間の認知できる差異はない。

図２には、フライス加工カッター４がキャビティを素材６にどのように準備するかが示され、また素材６の前表面が、工具８による特殊な表面仕上げが施されることも示されており、前記特殊な表面仕上げは、研削若しくは研磨ホイール作業、又はワイヤブラシ作業、又はショットピーニング作業であり得る。これらの機械的作業が実施される順序は、熟練者によって決められるであろう。検査は、表示装置の前面上の酸化物層に影響があってはならないこと、つまり表示装置の位置を非常に明確に示す酸化物層のひびがあってはならないことなので、切削工程により生じる力が、フライス加工の到達し得る深さを決定する。

これに続いて、事前切削加工部９をもつ素材は、製造の最終段階の前に前表面を保護するために、装飾的陽極酸化処理又は透明な塗膜をもつ塗装若しくはラッカー塗装を受ける。中間結果が図３に概略的に示されており、図３において、符号１１は、５〜２５μｍの厚さを典型的に有する陽極酸化物層を示し、また符合１０は、下のアルミニウムの表面を示している。

前面の酸化物層にストレスを与えることなく表示領域のアルミニウムの厚さを減少させるために、材料の段階的除去が、（好適な方法の）レーザーアブレーション法により獲得される。図４では、材料の段階的除去は、レーザー光線１２、レーザー光学部品１３、及びレーザー光線が到達する様々な深さにより概略的に示されている。キャビティの底面上の陽極酸化物層１４は、同時に（工程が酸化雰囲気で行われて、陽極酸化物層１４が酸化物の薄い層で置き換えられる程度まで）除去されることが注目される。

図５では、キャビティ本体の準備最終工程の概略図が示されており、選択された位置（ある規則に従って又はラスター状態で分布されたドット）で、フェムト秒レーザーのような高出力レーザーが使用されて、（金属のアルミニウムから装飾的酸化物まで移動した）前表面の１０〜３０ｎｍの範囲内まで穴を“掘る”。穴を掘ることは、光センサー１７によって監視され、前記光センサー１７は、入力信号を出力の制御及び/又はレーザー１５、１６の深さの制御に提供する。ａ）において、透光性の非常に薄いアルミニウムの層が各穴の底面に残ること、又は透明酸化物層上の真空蒸着アルミニウム層が、拡大された詳細で示されている。事前形成されたパターン内のほとんど全部のアルミニウムを除去することが有利であり、なぜなら事前形成されたパターンが、そのパターンの僅かに“浮き上がる”可視性を通常の照明時に与えるとしても、パターンは、本出願に記載されるように光らせられることにより強化されるか、又はパターンは、光源により生み出される異なるパターンにより消滅させられるためである。

図６ａ及び６ｂでは、本発明による表示装置のシェルが、製造後にどのように見えてくるかが最終的に示されている。

図７では、いくつかの個々にアドレス指定可能な光源用の取付具が、キャビティの中にどのように嵌め込まれ、また注入コンパウンドが光源用の取付具の周囲で硬化するまでキャビティの中でどのように保持されるかが示されており、そこで表示装置それ自体の使用の準備が整う。完成した表示装置は、前面の酸化物層を完全に支持し、また熱膨張率は、前記の酸化物層を完全に支持することが非常に広い温度範囲で獲得される程のものである。光源用の取付具の熱容量がアルミニウムに類似しているとすれば、表示領域の表面は、無地のアルミニウムから、触っても区別できない。

本発明は、以下に更に説明される。

例：
直径１０ｍｍの薄いシートが、厚さ１００μｍまで旋盤で加工されたアルミニウム片で準備された。次にこのアルミニウム片は、厚さ１５μｍの酸化物層が両面に陽極酸化処理された。この半製品は、本発明の一態様による融蝕レーザー処理をドイツ・ゲッティンゲンＤ−３７０１６、私書箱２６１９のゲッティンゲンレーザー研究所登記済社団（Laser-Laboratorium Gottingen e.V.）で受けた。１ｍｍ×１ｍｍの正方形のいくつかの“ドット”が、０．１％の透光性が各“ドット”に対して得られるまで、用意された薄いシートに形成された。各ドットは、基本的に円筒状（しかし実際には僅かに円錐状）の微小キャビティの１０×１０のグリッドで構成され、前記微小キャビティは、各々が４０μｍの直径で、また中心間距離が１００μｍである。キャビティのより近い検査が、僅かに鋭い断面を示す。一つの微小キャビティに対して適切な透光性がいつ得られるかを判定するために、フェムト秒のＵＶエキシマレーザーが使用され、またＣＣＤカメラがシートのレーザー処理されていない側面に使用され、そこでレーザー光線が停止されてグリッドの次の場所に移動された。表面粗さに起因するアルミニウムの減耗のために、場合によっては、個々の微小キャビティの最終の透明性は顕著に高かった。しかしながら、完成品の前面の目視検査、及び顕微鏡（１００倍の倍率）の下でさえ、及び側面からの斜め照明は、高い透明性のこれらのスポットの位置を明らかにせず、また従ってそれらは実際の製品では区別できないと考えられる。図６ｃは、縮尺が適用されないが、この図は、微小キャビティの配置、及びキャビティの底部の構造体における強化リブを示している。

発光ダイオードが、薄いシートの一方の側面のキャビティ内に装着され、また他方の側面つまり前面が、昼光及び暗闇の両方で観察された。ドットのパターンは、無地のアルミニウム表面から視野角１２０度で放散されてはっきりと視認され、また明るい昼光の下で、赤色光は最大３〜４ｍの距離ではっきりと視認された。青色光ダイオードは視認性が低く、最大距離は１ｍしかなかった。ＬＥＤが消されたとき、レーザーアブレーション処理の可視的痕跡は前表面になく、前記前表面は、手持ち式拡大鏡が使用されたときでさえも全体的に一様に見えた。

例えばドットマトリックス表示器、静的な文字若しくは記号表示器、又は動的な文字若しくは記号表示器のような、見たところは無地であるが透光性の様々なタイプの表示器を提供することは、本発明の範囲に含まれる。タイプの選択は、キャビティの底部が、大部分は滑らかで透光性がある（表示された文字又は記号の見掛け無限解像度を提供する）か、又は金属のグリッド状構造物若しくはリブにより取り囲まれた透光性の島から大部分は作られる（例えばドットマトリックスタイプ表示器に対応する）という点で、透光性部品の実際の形状に影響を与える。表示器の裏面でのみ視認されるそのようなグリッド状構造物は、構造物を補強し、また挿入物と金属部品との間の接合を改善する。

図１は、本発明による表示装置の外観図である。 図２は、製造の第一段階における素材を示す図である。 図３は、製造の更なる段階の成果物を示す図である。 図４は、製造の更なる段階を示す図である。 図５は、製造のより更なる段階と加工された精度を示す図である。 図６ａは、本発明による表示装置のための完成したキャビティの図である。 図６ｂは、本発明による表示装置のための完成したキャビティの図である。 図６ｃは、同じものをより詳細に示した図である。 図７は、光源用の取付具を装着したキャビティを示す図である。

Claims (13)

1. 鉄又は非鉄金属からなる金属素材に一体化されている、発光文字及び記号表示装置であって、前記金属素材は、前表面と、背面と、前記前表面と前記背面との間の素材厚さと、を有しており、該表示装置は周囲の前記金属素材の表面に一体化したタイプのものである、発光文字及び記号表示装置において、
   前記金属素材内にキャビティが背面側から形作られており、該表示装置は、前表面から背面の方に見られたとき、視覚的な外見及び感触に関して周囲の前記金属素材の表面の保護層に一体化して同一な外側保護の透明又は透光性の層と、鉄又は非鉄金属の透光性の層と、情報表示用の光源へのアクセスを提供する、前記の層のための補強構造物とを具備することを特徴とする、発光文字及び記号表示装置。
2. 外側保護の透明又は透光性の層が、使用される鉄又は非鉄金属に適合させられた金属ラッカーの期待される、硬さ、強靭性、及び透明性を示すタイプのラッカー層であることを特徴とする、請求項１に記載の表示装置。
3. 外側保護の透明又は透光性の層が、ほうろう又はセラミックであることを特徴とする、請求項１に記載の表示装置。
4. 外側保護の透明又は透光性の層が、陽極酸化により得られるタイプの酸化物であることを特徴とする、請求項１に記載の表示装置。
5. 前記金属素材がアルミニウムからなる請求項４に記載の表示装置であって、前表面から背面の方へ見てキャビティの底が、周囲の表面の酸化物層に一体化した外側の透明酸化物層と、アルミニウムの透光性の層とを具備することを特徴とする、請求項４に記載の表示装置。
6. 鉄又は非鉄金属の透光性の層の一部が、所定のパターンで基本的に透明であることを特徴とする、請求項１に記載の表示装置。
7. 前記層のための補強構造物が、光源用の取付具としてさらに機能することを特徴とする、請求項１に記載の表示装置。
8. 補強構造物が、寸法的に安定な注入コンパウンドで作られていて、前記注入コンパウンドが、光が外側の層に全面的に導かれるように、外側の層と光源用の取付具とを支持することを特徴とする、請求項７に記載の表示装置。
9. 光源用の取付具が、前記キャビティと基本的には同じ寸法であるが適切に縮小された寸法を有する前記金属素材内の要素であることと、注入コンパウンドが、透光性であり、また前記光源用の取付具とキャビティとの間の隙間を埋めることとを特徴とする、請求項８に記載の表示装置。
10. 光源として用いられる複数の光ファイバを更に具備する請求項８に記載の表示装置であって、複数の光ファイバの各々は少なくとも一つの端を有しており、光源用の取付具が、より遠い光源からの光を伝える光ファイバの端を保持することを特徴とする、請求項８に記載の表示装置。
11. 低消費電力の発光ダイオードが、表示領域として機能する前表面に近接して使用されることを特徴とする、請求項７に記載の表示装置。
12. 前表面から背面の方へ見られたとき、視覚的な外見及び感触に関して周囲の金属素材の表面の保護層に一体化して同一な外側保護の透明又は透光性の層を具備する表示装置を製造する方法であって、該方法は以下の段階、即ち：
    １）前表面と、背面と、前記前表面と前記背面との間の素材厚さとを有する金属素材にキャビティを形成する段階であって、前記キャビティは深さを有しており、前記深さはキャビティの底と前記前表面との間の素材の層が透光性を有するほどの材料を残すとともに、さらに前表面上の保護層にひずみが生じないほどの材料を残すものである、金属素材にキャビティを形成する段階と；
    ２）透光性若しくは透明な保護層を前記金属素材の少なくとも前表面に付着させる段階と；
    ３）レーザーアブレーション又は同様の原子レベルでの材料の除去のような、エッチング類似の工程を適切な透光性が得られるまでキャビティの底に実施する段階と；
    ４）キャビティの底に残っている材料を酸化に対して保護する段階と；
    ５）補強構造物をキャビティの中に配置する段階と；
    ６）補強構造物とキャビティとの間に残された空間にコンパウンドを注入する段階と；
    ７）光源を補強構造物に対して配設する段階と；を含む、表示装置を製造する方法。
13. 前表面から背面の方へ見られたとき、視覚的な外見及び感触に関して周囲のアルミニュウムの金属素材の表面の酸化物の保護層に一体化して同一な外側保護の透明又は透光性の層を具備する表示装置を製造する方法であって、該方法は以下の段階、即ち：
    １）前表面と、背面と、前記前表面と前記背面との間の素材厚さとを有するアルミニュウムの金属素材にキャビティを形成する段階であって、前記キャビティは深さを有しており、前記深さはキャビティの底と前記前表面との間の素材の層が透光性を有するほどの材料を残すとともに、さらに前表面上の酸化物の保護層にひずみが生じないほどの材料を残すものである、アルミニュウムの金属素材にキャビティを形成する段階と；
    ２）レーザーアブレーション又は同様の原子レベルでの材料の除去のような、エッチング類似の工程を適切な透光性が得られるまでキャビティの底に実施する段階と；
    ３）キャビティの底に残っている材料の一部を電気分解で酸化アルミニウムに変換する段階と；
    ４）複数の光源用の取付具をキャビティに嵌め込む段階と；
    ５）前記取付具とキャビティとの間に残った空間にコンパウンドを注入する段階と；を含む、表示装置を製造する方法。

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