JP2003041489A

JP2003041489A - 着色方法および着色システム

Info

Publication number: JP2003041489A
Application number: JP2001230525A
Authority: JP
Inventors: Yoshio Ishii; 良夫石井; Kazuhiro Watanabe; 一弘渡辺; Yuzuru Kubota; 譲久保田; Masaru Kawarasaki; 勝河原崎; Noriyo Sakurada; 典世櫻田
Original assignee: Tama TLO Co Ltd
Current assignee: Tama TLO Co Ltd
Priority date: 2001-07-30
Filing date: 2001-07-30
Publication date: 2003-02-13

Abstract

(57)【要約】【課題】合成樹脂に対して所望の位置に所望の着色を行
い、カラーで精細な絵柄を描くことができる着色方法お
よび着色システムを提供する。【解決手段】アクリル板３１の着色面に染料３２を塗布
し、被着色物載置台１６に固定する。制御用ＰＣ１３よ
りスキャナコントローラ１４が制御され、レーザー発振
器１１の電源装置１２が制御されてレーザー光が制御さ
れる。また、光学系１５が制御され、アクリル板３１に
照射されるレーザー光の位置、焦点が制御される。これ
により、アクリル板の着色位置にレーザー光が照射され
てその箇所が局所的に加熱され、染料がアクリル板の空
隙に急速に浸透されて着色がなされる。同じ箇所を繰り
返し走査することにより線幅、濃度が制御され、また、
色を変えてこのような処理がなされることによりカラー
の絵柄が記録される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、たとえばアクリル
板、アクリル塊などの合成樹脂などの実質的な多孔性部
材に、所望の色を精細に着色することができる着色方法
および着色システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、一般的にプラスチック、アクリル
などと称されている合成樹脂がいたるところで種々の目
的に使用されている。この合成樹脂をさらに様様な用途
で使用したい時には、この合成樹脂を所望の色に着色し
たり、所望の絵柄をつけたりすることが、非常に重要と
なる。従来、アクリル板などのこのような合成樹脂に着
色をする方法としては、たとえば塗装あるいは印刷によ
りアクリル板の表面に塗料を均一に付着させる方法が一
般的である。また、機械的な加工あるいはレーザー加工
により、アクリル板表面を機械的に加工することによ
り、所望の図柄を描画するような方法もしばしば用いら
れている。

【０００３】また、アクリル板を染料に浸して加熱する
ことにより、着色する方法も知られており、そのための
樹脂用染料なるものも市販されている。これは、多孔性
物質である合成樹脂の空隙部に染料を浸透させることに
より、これを着色しようとするもので、合成繊維用の分
散染料と呼ばれる種類の染料が用いられる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、これら
のいずれの方法も、合成樹脂に対して、精細かつカラー
で所望の絵柄を描画するという点では不十分であり、改
善が望まれている。たとえば、アクリル板の表面に塗料
を印刷する方法は、紙に印刷をするためのトナー（粉末
インク）を用いた印刷が難しく作業が面倒であるという
問題や、塗装が剥離し易いなどの問題がある。また、ア
クリル板を加工して絵柄を表す方法は、模様をつけた
り、２値図形を描画する程度であれば問題ないが、所詮
着色を行っているものではないので、色覚的に美しい模
様を描いたり、複雑な絵柄を描くことはできない。さら
に、染料にアクリル板を浸して着色する方法は、アクリ
ル板全体に着色することしかできず、所望の位置に選択
的に着色することができない。したがって、所望の絵柄
を表すことはできない。

【０００５】したがって本発明の目的は、合成樹脂など
の部材に対して、所望の位置に選択的に所望の着色を行
うことができる、換言すれば、カラーで精細な絵柄を描
くことができる着色方法および着色システムを提供する
ことにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に、本発明に係る着色方法は、任意の多孔性部材に着色
する方法であって、前記多孔性部材の着色箇所に染料を
含む溶液を付着させ、前記着色箇所を局所的に加熱する
ことにより前記染料を前記多孔性部材の当該着色箇所に
浸透させ、前記着色箇所を前記染料の呈する色に着色す
る。

【０００７】好適には、所定のレーザー光を前記多孔性
部材の着色箇所に照射することにより、前記着色箇所を
局所的に高温にする。また好適には、前記レーザ光の同
一箇所への照射回数に基づいて、着色の濃度を調整す
る。特定的には、前記多孔性部材は合成樹脂である。ま
た特定的には、フォトクロミック染料を含む溶液を前記
着色箇所に付着させ、前記着色箇所を局所的に高温にす
ることにより前記フォトクロミック染料を前記多孔性部
材の当該着色箇所に浸透させ、前記着色箇所に前記フォ
トクロミック染料を発色させる所定の波長帯の光を含む
光線を照射することにより前記着色箇所を前記フォトク
ロミック染料の呈する色に着色する。

【０００８】また、本発明に関わる着色システムは、任
意の多孔性部材に着色をする着色システムであって、前
記多孔性部材の着色箇所に染料を含む溶液を付着させる
溶液付着手段と、前記着色箇所を局所的に加熱すること
により前記染料を前記多孔性部材の当該着色箇所に浸透
させる加熱手段と、前記多孔性部材の所望の位置が所望
の色に着色されるように、前記溶液付着手段および前記
加熱手段を制御する制御手段とを有する。

【０００９】好適には、前記加熱手段は、所定のレーザ
ー光を出射するレーザー発振器と、前記出射されたレー
ザー光を前記多孔性部材の所望の着色箇所に所望の状態
で照射する光学系とを有する。特定的には、前記レーザ
ー発振器は、高周波励起スラブ型二酸化炭素レーザーで
ある。

【００１０】特定的には、前記溶液付着手段は、前記多
孔性部材の少なくとも前記着色箇所を含む部分が前記溶
液に浸るように、前記溶液および前記多孔性部材を収容
する手段である。また特定的には、前記溶液付着手段
は、前記多孔性部材の少なくとも前記着色箇所を含む部
分に前記溶液が付着するように、当該多孔性部材の前記
着色箇所を含む所定の部分に前記溶液を実質に塗布する
手段である。また特定的には、前記溶液付着手段は、前
記多孔性部材の少なくとも前記着色箇所を含む部分に前
記溶液が付着するように、前記多孔性部材の前記加熱手
段による加熱箇所に前記溶液を噴射する手段である。

【００１１】

【発明の実施の形態】本発明の一実施の形態について説
明する。本実施の形態においては、レーザー光を用い
て、アクリル板あるいはアクリルの塊に対して、精細な
着色を行うアクリル着色システムを例示して本発明を説
明する。

【００１２】アクリルなどの合成樹脂は、固体の内部に
多数の小さな空隙を有する多孔性の物質である。したが
って、この空隙に染料を浸透させれば、アクリルを内部
より着色することができる。そこで本実施の形態におい
ては、水で希釈した着色染料を着色対象のアクリル板の
表面に塗布し、そこにレーザー光を照射する。このレー
ザー光が染料の水分に吸収されると急速に減衰し、その
吸収されたエネルギーは熱に変換され、そのレーザーを
照射した部分の温度が局所的に高くなる。その結果、染
料がアクリル板内の空隙に急速に浸透していき、その部
分がその染料の色に着色される。

【００１３】このような原理に基づく、本実施の形態の
アクリル着色システムについて、図１〜図８を参照して
説明する。図１は、そのアクリル着色システム１０の構
成を示す図である。アクリル着色システム１０は、レー
ザー発振器１１、電源装置１２、制御用パーソナルコン
ピュータ１３、スキャナコントローラ１４、光学系１
５、被着色物載置部１６を有する。また図示しないが、
アクリル着色システム１０は、被着色物たるアクリル板
３１の着色箇所に、予め染料３２を塗布する染料塗布手
段を別途有する。

【００１４】まず、アクリル着色システム１０の各部の
構成について説明する。レーザー発振器１１は、着色対
象のアクリル板３１に照射するレーザー光を発振し、光
学系１５に入射する。本実施の形態において、レーザー
１１は、ＣＯ₂ レーザーの中でも特に小型で高出力なス
ラブ型ＣＯ₂ レーザーを用いる。このスラブ型ＣＯ₂ レ
ーザーは、図２に示すような上下２つの電極を電極間隔
が２_mm〜３_mmになるように対向させたスラブ型電極構造
を有するレーザーであって、放熱部の熱を並行平板電
極へ効率よく拡散冷却することができ、放電空間の温度
を低く保つことができる。従来よりも高い励起周波数
を用いることにより、電極表面への衝突から生じるγ作
用を抑え、α作用を促進することができる。というよう
な特徴を有する。

【００１５】電源装置１２は、スキャナコントローラ１
４より入力される制御信号に基づいて、レーザー発振器
１１より所望のパワーのレーザー光が発振されるよう
に、レーザー発振器１１に電力を供給する。

【００１６】制御用パーソナルコンピュータ１３は、被
着色物たるアクリル板３１のデータ、図形データおよび
色データを含む絵柄のデータ、染料３２の種類や温度な
どのデータおよびレーザー光の条件などに基づいて、ア
クリル板３１に所望の絵柄が描けるように、実際にレー
ザー出力やレーザー光の走査などを制御するスキャナコ
ントローラ１４を制御する。

【００１７】スキャナコントローラ１４は、アクリル板
３１に所望の絵柄が描けるように、光学系１５に含まれ
るスキャナおよびレーザー発振器１１からのレーザー出
力などを制御する。本実施の形態においてスキャナコン
トローラ１４は、ゼネラルスキャンニング社のＤＥ３０
００を用いる。このＤＥ３０００は、ＸＹサーボドライ
バ（ＥＤＤ）、幾何学的エラー補正機能を有するＣＰＵ
ボード、インターフェイスボード（ＥＩＣ）を有し、Ｘ
／Ｙ軸それぞれ１６ビットの座標指定が可能であり、コ
ンピュータ（制御用パーソナルコンピュータ１３）から
のコマンドでＸＹスキャナを走査させるコントローラで
ある。また、走査データに合わせてレーザーをＯＮ／Ｏ
ＦＦ変調するための制御信号を出力することができる。

【００１８】光学系１５は、スキャンコントローラ１４
からの制御信号に基づいて、レーザー発振器１１より出
射されたレーザ光を、アクリル板の所望の位置に所望の
条件で照射し、また必要に応じてそのレーザー光をアク
リル板上を走査させる。図示のごとく、光学系１５は、
Ｘ，Ｙ各軸方向のミラーとそれを駆動するモーター、Ｚ
軸方向のレンズとこれを駆動するリニアモータを有する
スキャナーと、レーザー光を着色面い垂直に入射させる
ための反射ミラーなどの周辺のミラーおよびレンズなど
を組み合わせて構成されたものである。そして、これら
各ミラーおよびレンズの位置を制御することにより、レ
ーザー光の照射位置と焦点位置が制御される。なお、本
実施の形態においてそのスキャナーは、ゼネラルスキャ
ンニング社のＣＯ₂ 用レーザースキャナＭ２ＸＹ９．５
ｍｍヘッドを用いる。このスキャナーのＸ，Ｙミラーの
放射照度限界値は、連続（ＣＷ）発振で５００Ｗ／ｃｍ
² 、Ｐｌｕｓ発振（１００ｎｓ）で４００ＭＷ／ｃｍ
² 、ミラーの反射率は９９．５％以上である。

【００１９】被着色物載置部１６は、被着色物であるア
クリル板が載置される台である。

【００２０】このような構成のアクリル着色システムに
おいては、予めアクリル板の着色面に染料を塗布してお
き、これを被着色物載置台１６に固定する。この時、ア
クリル板の基準位置、載置方向と、台の基準位置および
方向とが所定の関係になるように固定する。これによ
り、以後は、システムの制御により、アクリル板の所望
の位置に所望の着色が行われる。このようにアクリル板
を固定したら、着色したい色、図柄などの情報や、着色
条件、パラメータなどの情報を制御用パーソナルコンピ
ュータ１３に入力し、着色処理を開始する。

【００２１】処理が開始されたら、制御用パーソナルコ
ンピュータ１３よりスキャナコントローラ１４が制御さ
れ、スキャナコントローラ１４により、さらにレーザー
発振器１１の電源装置１２が制御されて実質的にレーザ
ー発振器１１より出射されるレーザー光が制御される。
また、レーザー光の制御に同期して、スキャナコントロ
ーラ１４により、光学系１５のスキャナー、すなわち、
Ｘ，Ｙ方向のミラーを動かすモータおよび、Ｚ方向のレ
ンズを駆動するリニアモータが制御され、アクリル板に
照射されるレーザー光の位置および焦点が制御される。

【００２２】このような処理により、アクリル板上の着
色位置に対してレーザー光が順に照射され、その箇所を
局所的に高温にし、染料がアクリル板の空隙に急速に浸
透され、実質的に着色がなされる。そして、後述するよ
うに、同じ箇所を繰り返し走査されることにより着色す
る線の幅が制御され、また、たとえば３原色の染料につ
いて各々このような処理がなされることにより、アクリ
ル板の所望の位置に所望の精細な図柄のカラーの絵柄が
記録される。

【００２３】このような本実施の形態のアクリル着色シ
ステムによる着色結果について、図３および図４を参照
して説明する。図３は、レーザーパワー１８Ｗ、スキャ
ンスピード９．０８ｍｍ／ｓｅｃ、スキャン距離２３ｍ
ｍ、安定方向ビーム径１ｍｍおよび不安定方向ビーム径
２ｍｍの条件の下で、各々５、１０、１５、２０、２
５、３０、３５および４０回とラインで描画を行った場
合の描画結果（着色結果）を示す図である。また、図４
は、図３に示した各描画結果の、平均濃度を示す図であ
る。

【００２４】図３および図４に示すように、本実施の形
態のアクリル着色システム１０により、アクリル板に対
して確実に着色がなされている。そして、レーザーの照
射繰り返し回数を変えることにより、線の幅および濃度
を変化させることができ、さらに、その線の幅は非常に
細かいものであり、非常に精細な図柄が描画できること
がわかる。

【００２５】最後に、このようなアクリル染色システム
１０において用いる染料およびレーザー光の特性につい
て述べる。まず、染料の濃度、染色時間および染色温度
の各々と、着色濃度との関係について図５〜図７を参照
して述べる。なお、前述したように、本実施の形態で用
いる染料は、合成繊維用染料として広く使用されている
分散染料と言われるものである。

【００２６】図５は、染料の濃度と着色濃度との関係を
示す図である。なお、図５において、縦軸は着色濃度を
示す光透過率を示し、値が小さいほど着色濃度が濃いこ
とを示している。また、着色温度は７０度で、着色時間
は３分および６分である。図５より、染料の濃度は濃い
方がよいわけではなく、１５％近辺がもっとも濃く着色
されることがわかる。

【００２７】図６は、染色時間と着色濃度の関係を示す
図である。なお、着色温度は７０度であり、染料の濃度
は１５％および２５％である。図６より、染色時間が長
い程、濃く着色できることがわかる。

【００２８】図７は、染色温度と着色濃度の関係を示す
図である。なお、染色時間は３分であり、染料の濃度は
１５％および２５％である。図７より、染色温度が高く
なるほど、濃く着色されるが、８０℃程度で飽和するこ
とがわかる。これは、８０℃以上は、染料の蒸発量が多
くなり、染料の濃度が高くなるためと考えられる。

【００２９】たとえば本実施の形態で使用した染料は、
透明アクリル板に対してこのような特性を有する。した
がって、各特性において最適な条件で前記染色処理を行
うことにより、もっとも好適な染色が可能となる。

【００３０】次に、本実施の形態で用いたＣＯ₂ レーザ
ーの特性について、図８を参照して説明する。一般に、
水中に入射した光は、散乱による拡散を無視すると、透
過距離が増すに従って、水による吸収のため、指数関数
的に減衰する。入射光強度をＩ₀ とすると、距離ｘ透過
後の光強度Ｉは，式（１）により表される。

【００３１】

【数１】

【００３２】ここで、σは減衰係数で式（２）により表
される。

【００３３】

【数２】

【００３４】また、Ｉ／ρに相当する距離を減衰距離と
言い、式（３）により表される。

【００３５】

【数３】

【００３６】ここで、Ｒは減衰距離である。以上より、
減衰距離Ｒは、ｘ＝１／σの時ｌｏｇ_e （Ｉ₀ ／Ｉ）＝
１でＩ₀ ／Ｉ＝ｅとなり、入射強度の１／ｅ（約１／
３）で、減衰係数とは逆数の関係となる。そして、これ
による波長（０．５〜１０μｍ）に対する水中における
光の減衰距離、減衰係数を図８に示す。

【００３７】図８に示すように、ＣＯ₂ レーザーは他の
レーザーに比べて、水による吸収が強いことがわかる。
したがって、着色染料の水分による光吸収で熱化し、着
色加工を行うには、ＣＯ₂ レーザーが適していると言え
る。

【００３８】なお、本発明は本実施の形態に限られるも
のではなく、任意好適な種々の改変が可能である。たと
えば、本実施の形態の着色システムにおいては、予め染
料を塗布したアクリル板にレーザー光を照射するように
したが、染料をアクリル板表面に付着させる方法はこれ
に限られるものではない。たとえば、図９に示すよう
に、アクリル板の着色面を傾斜させて被着色物載置台１
６に載せ、この着色面にたとえばポンプなどで汲み上げ
た染料を流すことにより染料を着色箇所に流し、そこへ
レーザー光を照射するようにしてもよい。また、被着色
物載置代６をパンなどで構成し、ここに染料を収容しさ
らにアクリル板を浸し、これにレーザー光を照射するよ
うにしてもよい。また、レーザー光を照射する箇所に対
して、たとえばインクジェットヘッドのようなノズルよ
り染料を吹き付けるようにしてもよい。

【００３９】

【発明の効果】このように、本発明によれば、合成樹脂
などの部材に対して、所望の位置に選択的に所望の着色
を行うことができる、換言すれば、カラーで精細な絵柄
を描くことができる着色方法および着色システムを提供
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明の一実施の形態のアクリル着色
システムの構成を示す図である。

【図２】図２は、スラブ型レーザーの説明をするための
図である。

【図３】図３は、図１に示すアクリル着色システムにお
ける描画結果（着色結果）を示す図である。

【図４】図４は、図３に示した描画結果の濃度を示す図
である。

【図５】図５は、染料の濃度と着色濃度との関係を示す
図である。

【図６】図６は、染色時間と着色濃度の関係を示す図で
ある。

【図７】図７は、染色温度と着色濃度の関係を示す図で
ある。

【図８】図８は、水による光吸収波長特性を示す図であ
る。

【図９】図９は、本発明の一実施の形態のアクリル着色
システムの変形例を示す図である。

【符号の説明】

１０…アクリル着色システム１１…レーザー発振器１２…電源装置１３…制御用パーソナルコンピュータ１４…スキャナコントローラ１５…光学系１６…被着色物載置部３０…アクリル板３１…染料

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｄ０６Ｐ 5/20 Ｄ０６Ｐ 5/20 Ｄ 7/00 7/00 (72)発明者久保田譲東京都八王子市丹木町１−236 創価大学工学部内 (72)発明者河原崎勝東京都八王子市丹木町１−236 創価大学工学部内 (72)発明者櫻田典世東京都八王子市丹木町１−236 創価大学工学部内Ｆターム(参考） 4H057 AA02 AA03 BA14 DA02 DA29 FA17 FA33 GA03 GA07 HA01 JA05 JB02 JB03

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】任意の多孔性部材に着色する方法であっ
て、前記多孔性部材の着色箇所に染料を含む溶液を付着させ
前記着色箇所を局所的に加熱することにより前記染料を
前記多孔性部材の当該着色箇所に浸透させ前記着色箇所
を前記染料の呈する色に着色する着色方法。
【請求項２】所定のレーザー光を前記多孔性部材の着色
箇所に照射することにより、前記着色箇所を局所的に高
温にする請求項１に記載の着色方法。
【請求項３】前記レーザ光の同一箇所への照射回数に基
づいて、着色の濃度を調整する請求項２に記載の着色方
法。
【請求項４】前記多孔性部材は合成樹脂である請求項１
から３のいずれかに記載の着色方法。
【請求項５】フォトクロミック染料を含む溶液を前記着
色箇所に付着させ、前記着色箇所を局所的に高温にすることにより前記フォ
トクロミック染料を前記多孔性部材の当該着色箇所に浸
透させ、前記着色箇所に前記フォトクロミック染料を発色させる
所定の波長帯の光を含む光線を照射することにより前記
着色箇所を前記フォトクロミック染料の呈する色に着色
する請求項１〜４のいずれかに記載の着色方法。
【請求項６】任意の多孔性部材に着色をする着色システ
ムであって、前記多孔性部材の着色箇所に染料を含む溶液を付着させ
る溶液付着手段と、前記着色箇所を局所的に加熱することにより前記染料を
前記多孔性部材の当該着色箇所に浸透させる加熱手段
と、前記多孔性部材の所望の位置が所望の色に着色されるよ
うに、前記溶液付着手段および前記加熱手段を制御する
制御手段とを有する着色システム。
【請求項７】前記加熱手段は、所定のレーザー光を出射するレーザー発振器と、前記出射されたレーザー光を前記多孔性部材の所望の着
色箇所に所望の状態で照射する光学系とを有する請求項
６に記載の着色システム。
【請求項８】前記レーザー発振器は、高周波励起スラブ
型二酸化炭素レーザーである請求項７に記載の着色シス
テム。
【請求項９】前記溶液付着手段は、前記多孔性部材の少
なくとも前記着色箇所を含む部分が前記溶液に浸るよう
に、前記溶液および前記多孔性部材を収容する手段であ
る請求項６〜８のいずれかに記載の着色システム。
【請求項１０】前記溶液付着手段は、前記多孔性部材の
少なくとも前記着色箇所を含む部分に前記溶液が付着す
るように、当該多孔性部材の前記着色箇所を含む所定の
部分に前記溶液を実質に塗布する手段である請求項６〜
８のいずれかに記載の着色システム。
【請求項１１】前記溶液付着手段は、前記多孔性部材の
少なくとも前記着色箇所を含む部分に前記溶液が付着す
るように、前記多孔性部材の前記加熱手段による加熱箇
所に前記溶液を噴射する手段である請求項６〜８のいず
れかに記載の着色システム。