JP2019155805A - 熱膨張性シート及び熱膨張性シートの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】熱膨張性シート及び熱膨張性シートの製造方法を提供することを目的とする。【解決手段】熱膨張性シート１０は、基材１１の一方の面上に形成され、伸縮性を有する応力緩衝層１２と、応力緩衝層１２上に形成され、熱に応じて膨張する熱膨張性材料を含む熱膨張層１３と、熱膨張層１３上に形成され、伸縮性を有するカバー層１４と、を備える。熱膨張性シート１０が応力緩衝層１２とカバー層１４とを備えることで、熱膨張層１３中に亀裂が発生することを抑制することができる。また、熱膨張層１３に亀裂が発生した場合は、カバー層１４により亀裂を隠すことが可能となる。【選択図】図１

Description

本発明は、吸収した熱量に応じて発泡して膨張する熱膨張性シート及び熱膨張性シートを製造する方法に関する。

従来、基材シートの一方の面上に、吸収した熱量に応じて発泡し膨張する熱膨張性材料を含む熱膨張層を形成した熱膨張性シートが知られている。この熱膨張性シート上に光を熱に変換する光熱変換層を形成し、光熱変換層に光を照射することで、熱膨張層を部分的又は全体的に膨張させることができる。また、光熱変換層の形状を変化させることで、熱膨張性シート上に立体的な凹凸を有する造形物を形成する方法も知られている（例えば、特許文献１、２参照）。

特開昭６４−２８６６０号公報 特開２００１−１５０８１２号公報

しかし、熱膨張層を膨張させた後、熱膨張性シートを曲げると熱膨張層中に亀裂が発生することがある。熱膨張層に亀裂が生ずると、造形物の外観に影響を与える、熱膨張層上に設けられるカラー画像を良好に形成できないなどの問題がある。また、基材から熱膨張層が剥がれやすくなるという問題もある。

従って、熱膨張層に生ずる亀裂による影響を低減させることが求められている。また、基材から熱膨張層を剥がれにくくすることが求められている。

本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、熱膨張層に生ずる亀裂による影響を低減させることが可能であり、基材と熱膨張層との間の密着性を向上させることが可能な熱膨張性シート及び熱膨張性シートの製造方法を提供することを目的とする。

本発明の第１の観点に係る熱膨張性シートは、
基材の一方の面上に設けられ、伸縮性を有する応力緩衝層と、
前記応力緩衝層の上に設けられ、熱に応じて膨張する第１の熱膨張性材料と第１のバインダとを含む熱膨張層と、
前記熱膨張層上に設けられ、伸縮性を有するカバー層と、を備える、
ことを特徴とする。

本発明の第２の観点に係る熱膨張性シートの製造方法は、
基材の一方の面上に伸縮性を有する応力緩衝層を形成する工程と、
前記応力緩衝層の上に、熱に応じて膨張する第１の熱膨張性材料と第１のバインダとを含む熱膨張層を形成する工程と、
前記熱膨張層上に、伸縮性を有するカバー層を形成する工程と、を備える、
ことを特徴とする。

本発明によれば、熱膨張層に生ずる亀裂による影響を低減させることが可能であり、基材と熱膨張層との間の密着性を向上させることが可能な熱膨張性シート及び熱膨張性シートの製造方法を提供することを提供することができる。

実施形態に係る熱膨張性シートを模式的に示す断面図である。 実施形態に係る熱膨張性シートの製造方法を示す断面図である。 図３（ａ）〜図３（ｃ）は、実施形態に係る造形システムの構成例を示す図である。 実施形態に係る造形物の製造方法を示すフローチャートである。 実施形態に係る造形物の製造方法を模式的に示す断面図である。 実施形態に係る造形物の製造方法を模式的に示す断面図である。 図７（ａ）は、熱膨張層のみを備える比較例を示す図であり、図７（ｂ）は、本実施形態の熱膨張性シートの効果を説明する図である。 図８（ａ）及び図８（ｂ）は、変形例に係る熱膨張性シートを示す図である。

以下、本発明の実施の形態に係る熱膨張性シート及び熱膨張性シートの製造方法について、図面を用いて詳細に説明する。本実施形態では、熱膨張層の少なくとも一部を膨張させることにより、熱膨張性シート上に造形物を形成する。

本明細書において、「造形物」は、単純な形状、幾何学形状、文字、装飾等、形状を広く含む。ここで、装飾とは、視覚及び／又は触覚を通じて美感を想起させるものである。また、「造形（又は造型）」は、単に造形物を形成することに限らず、装飾を加える加飾、装飾を形成する造飾のような概念をも含む。更に装飾性のある造形物とは、加飾又は造飾の結果として形成される造形物を示す。

（熱膨張性シート）
本実施形態に係る熱膨張性シート１０は、図１に模式的に示すように、基材１１と、応力緩衝層１２と、熱膨張層１３と、カバー層１４と、インク受容層１５と、を備える。また、詳細に後述するように、熱膨張性シート１０は、図３に概要を示す造形システム２０において、印刷が施され、熱膨張性シート１０の熱膨張層１３の少なくとも一部が膨張する。また、熱膨張層１３の少なくとも一部が隆起することにより、熱膨張性シート１０の表面に凸若しくは凹凸が形成される。このような凸若しくは凹凸の高さ、これらを形成する位置等を組み合わせることにより、造形物を表現することができる。なお、凸若しくは凹凸は、造形物に応じ、熱膨張性シート１０上に１つ又は複数形成される。

基材１１は、熱膨張層１３等を支持するシート状の部材である。基材１１の一方の面（表面、図１では上面）上には、応力緩衝層１２が形成される。基材１１としては、上質紙等の紙、又はポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）等の樹脂からなるシート（フィルムを含む）を使用する。紙としては、上質紙に限らず、一般に使用されている任意の紙を使用することができる。また、樹脂としては、ＰＥＴに限らず、任意の樹脂を使用可能である。樹脂としては、例えばポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン系樹脂、ポリエステル系樹脂、ナイロン等のポリアミド系樹脂、ポリ塩化ビニル系樹脂、ポリイミド系樹脂、シリコーン系樹脂等から選択される材料を挙げることができる。また、基材１１は、熱膨張層１３が全体的又は部分的に発泡により膨張した時に、基材１１の反対側（図１に示す下側）に隆起しない程度の強度を備える。また、基材１１は、熱膨張層１３が膨張した際に、しわを生じたり、大きく波打ったりする等、シートとしての形態が損なわれることがない程度の強度を備える。加えて、基材１１は、熱膨張層１３を発泡させる際の加熱に耐える程度の耐熱性を有する。基材１１は更に伸縮性を有してもよい。

応力緩衝層１２は、基材１１の一方の面（図１に示す上面）に設けられる。応力緩衝層１２は、伸縮性を有する層である。応力緩衝層１２によって、基材１１と熱膨張層１３との間の応力差が緩和され、熱膨張層１３を膨張させた際に熱膨張層１３中に亀裂が発生することを抑制することができる。このため、応力緩衝層１２は、ゴム弾性を有する樹脂、例えば、熱可塑性エラストマーを含む。熱可塑性エラストマーは、これに限るものではないが、ポリ塩化ビニール、エチレンプロピレンラバー（ＥＰＲ）、エチレン−酢酸ビニル共重合体（ＥＶＡ）、スチレン系熱可塑性エラストマー、オレフィン系熱可塑性エラストマー、ウレタン系熱可塑性エラストマー、又はポリエステル系熱可塑性エラストマー等から選択される。また、応力緩衝層１２は基材１１と良好に密着するため、応力緩衝層１２により、熱膨張層１３が基材１１から剥離することを防ぐことができる。

また、応力緩衝層１２は、後述する熱膨張層１３中に含まれる熱膨張性材料（熱膨張性マイクロカプセル、マイクロパウダー）を更に含んでもよい。この場合、応力緩衝層１２は、図１に示すように、熱可塑性エラストマーをバインダＢ２として含み、バインダＢ２中に熱膨張性材料ＭＣ２が分散されている。また、詳細に後述するように、バインダＢ２に対し熱膨張性材料ＭＣ２が含有される割合（第２の割合）は、熱膨張層１３においてバインダＢ１に対し熱膨張性材料ＭＣ１が含有される割合（第１の割合）と比較して低く設定される。ここで、バインダに対して熱膨張性材料が含有される割合は、任意であり、例えば体積比、重量比などを用いて定義される。なお、バインダに対して熱膨張性材料が含有される割合は、密度によって定義されてもよい。なお、応力緩衝層１２が熱膨張性材料ＭＣ２を含むことは必須ではなく、熱膨張性材料ＭＣ２を含まなくともよい。

熱膨張層１３は、図１に示すように応力緩衝層１２の上に設けられる。熱膨張層１３は、加熱の程度（例えば、加熱温度、加熱時間）に応じた大きさに膨張する層であって、バインダＢ２中に熱膨張性材料（熱膨張性マイクロカプセル、マイクロパウダー）ＭＣ２が分散配置されている。また、詳細に後述するように、本実施形態では、熱膨張性シート１０の上面（表面）に、及び／又は熱膨張性シート１０の下面（裏面）に、電磁波を熱に変換する電磁波熱変換層（以下、単に熱変換層又は変換層と称する）を形成し、電磁波を照射することで、熱変換層を発熱させる。電磁波熱変換層は、電磁波の照射により、熱を帯びるため、帯熱層とも呼べる。熱膨張性シート１０の表面及び／又は裏面に設けられた熱変換層で生じた熱が、熱膨張層１３へと伝達することにより、熱膨張層１３中の熱膨張性材料が発泡し、膨張する。熱変換層は、熱変換層が設けられていない他の領域と比較し、電磁波を速やかに熱へと変換する。このため熱変換層の近傍の領域のみを選択的に加熱することができ、熱膨張層１３の特定の領域のみを選択的に膨張させることができる。熱膨張層１３は、１つの層を有する場合に限らず、複数の層を有してもよい。

熱膨張層１３のバインダとしては、酢酸ビニル系ポリマー、アクリル系ポリマー等の任意の熱可塑性樹脂を用いる。バインダとしては、熱可塑性エラストマーを用いてもよい。熱可塑性エラストマーとしては、これに限るものではないが、ポリ塩化ビニール、エチレンプロピレンラバー（ＥＰＲ）、エチレン−酢酸ビニル共重合体（ＥＶＡ）、スチレン系熱可塑性エラストマー、オレフィン系熱可塑性エラストマー、ウレタン系熱可塑性エラストマー、及びポリエステル系熱可塑性エラストマーから選択される。また、熱膨張性マイクロカプセルは、プロパン、ブタン、その他の低沸点気化性物質を、熱可塑性樹脂の殻内に含むものである。殻は、例えば、ポリスチレン、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリ酢酸ビニル、ポリアクリル酸エステル、ポリアクリロニトリル、ポリブタジエン、あるいは、それらの共重合体等の熱可塑性樹脂から形成される。例えば、熱膨張性マイクロカプセルの平均粒径は、約５〜５０μｍである。このマイクロカプセルを熱膨張開始温度以上に加熱すると、樹脂からなる殻が軟化し、内包されている低沸点気化性物質が気化し、その圧力によって殻がバルーン状に膨張する。用いるマイクロカプセルの特性にもよるが、マイクロカプセルの粒径は膨張前の粒径の５倍程度に膨張する。なお、マイクロカプセルの粒径には、ばらつきがあり、全てのマイクロカプセルが同じ粒径を有するものではない。

また、本実施形態では、応力緩衝層１２において、バインダＢ２に対して熱膨張性材料ＭＣ２が含有される割合（含有率とも称する）は、熱膨張層１３においてバインダＢ１に対して熱膨張性材料ＭＣ１が含有される割合（含有率とも称する）と比較して低くされる。ここで、バインダに対して熱膨張性材料が含有される割合は、任意であり、例えば体積比、重量比などを用いて定義される。重量比を例に挙げると、バインダＢ２に対する熱膨張性材料ＭＣ２の重量比（第２の割合）は、バインダＢ１に対する熱膨張性材料ＭＣ１の重量比（第１の割合）と比較して小さく、具体的には、１／３〜１／８程度である。換言すれば、１００重量部のバインダＢ２に対して分散される熱膨張性材料ＭＣ２がＸ２重量部であり、１００重量部のバインダＢ１に対して分散される熱膨張性材料ＭＣ１がＸ１重量部とすると、Ｘ２／Ｘ１は１より小さく、１／３〜１／８程度とされる。なお、バインダに対して熱膨張性材料が含有される割合は、密度によって定義されてもよい。この場合、応力緩衝層１２は、熱膨張層１３と比較して低い密度で、熱膨張性材料を含有すると言える。

また、応力緩衝層１２は、熱膨張層１３と比較し低い割合で熱膨張性材料ＭＣ２を含むため、応力緩衝層１２中の熱膨張性材料ＭＣ２は、発泡、膨張しないこともある。

加えて、応力緩衝層１２のバインダＢ２は、熱膨張層１３のバインダＢ１と同じ材料を用いて形成すると、材料を共通化させることができて好適である。同様に応力緩衝層１２の熱膨張性材料ＭＣ２は、熱膨張層１３の熱膨張性材料ＭＣ１と同じ材料を用いることが好適である。応力緩衝層１２と熱膨張層１３との間では、バインダと熱膨張性材料との両方の材料が同じであってもよく、バインダ又は熱膨張性材料のいずれか一方のみの材料が同じでもよい。

カバー層１４は、図１に示すように熱膨張層１３上に設けられる。カバー層１４は、伸縮性を有する層であり、熱膨張層１３の膨張に従って少なくとも一部が延びる。カバー層１４は、ゴム弾性を有する樹脂、例えば、熱可塑性エラストマーを含む。熱可塑性エラストマーは、これに限るものではないが、ポリ塩化ビニール、エチレンプロピレンラバー（ＥＰＲ）、エチレン−酢酸ビニル共重合体（ＥＶＡ）、スチレン系熱可塑性エラストマー、オレフィン系熱可塑性エラストマー、ウレタン系熱可塑性エラストマー、及びポリエステル系熱可塑性エラストマーから選択される。このような材料から形成されるカバー層１４は、熱膨張性シート１０を大きく曲げても（例えば９０°以上）亀裂がほとんど生じない。カバー層１４が伸縮することによって、熱膨張層１３に亀裂が発生することを抑制する。また、熱膨張層１３に亀裂が発生した場合であっても、カバー層１４には亀裂がほとんど入らない。従って、カバー層１４によって熱膨張層１３に生じた亀裂を隠すことができる。

また、カバー層１４は、熱膨張層１３中に含まれるような熱膨張性材料を更に含んでもよい。この場合、カバー層１４は、図１に示すように、熱可塑性エラストマーをバインダＢ３として含み、バインダＢ３中に熱膨張性材料ＭＣ３が分散される。

また、バインダＢ３に対し熱膨張性材料ＭＣ３が含有される割合は、熱膨張層１３においてバインダＢ１に対し熱膨張性材料ＭＣ１が含有される割合と比較して低く設定される。ここで、ここで、バインダに対して熱膨張性材料が含有される割合は、任意である。具体的には、１／３〜１／８程度である。換言すれば、１００重量部のバインダＢ３に対して分散される熱膨張性材料ＭＣ３がＸ３重量部であり、１００重量部のバインダＢ１に対して分散される熱膨張性材料ＭＣ１がＸ１重量部とすると、Ｘ３／Ｘ１は１より小さく、１／３〜１／８程度とされる。なお、バインダに対して熱膨張性材料が含有される割合は、密度によって定義されてもよく、カバー層１４は、熱膨張層１３と比較して低い密度で、熱膨張性材料を含有するとも言える。また、応力緩衝層１２におけるＸ２と、カバー層１４におけるＸ３とは同じ数値であっても、異なっていてもよい。なお、カバー層１４が熱膨張性材料ＭＣ３を含むことは必須ではなく、熱膨張性材料を含まなくともよい。

また、カバー層１４のバインダＢ３は、熱膨張層１３のバインダＢ１と同じ材料を用いて形成すると、材料を共通化させることができて好適である。同様にカバー層１４の熱膨張性材料ＭＣ３は、熱膨張層１３の熱膨張性材料ＭＣ１と同じ材料を用いることが好適である。カバー層１４と熱膨張層１３との間では、バインダと熱膨張性材料との両方の材料が同じであってもよく、バインダ又は熱膨張性材料のいずれか一方のみの材料が同じであってもよい。

また、カバー層１４は、熱膨張層１３と比較し低い割合で熱膨張性材料ＭＣ３を含むため、カバー層１４中の熱膨張性材料ＭＣ３は、発泡、膨張しないこともある。

インク受容層１５は、カバー層１４上に設けられる。インク受容層１５は、印刷工程で使用されるインク、例えば、インクジェットプリンタのインクを受容し、定着させる層である。インク受容層１５は、印刷工程で使用されるインクに応じて、公知の材料を使用して形成される。例えば水性インクを利用する場合で、空隙を利用してインクを受容するタイプでは、インク受容層１５は、例えば多孔質シリカを用いて形成される。インクを膨潤させて受容するタイプでは、インク受容層１５は、例えば、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）系樹脂、ポリエステル系樹脂、ポリウレタン系樹脂、アクリル系樹脂等から選択される樹脂を用いて形成される。なお、インク受容層１５は、印刷工程で用いられる印刷装置、用いられるインク等に応じて、省略することが可能である。例えば、インクジェット方式の印刷装置を使用し、紫外線硬化タイプのインクを用いる場合は、インク受容層１５は省略することができる。

（熱膨張性シートの製造方法）
次に、熱膨張性シート１０の製造方法を図２（ａ）〜図２（ｄ）を用いて説明する。

まず、基材１１を準備する（図２（ａ））。基材１１としては、例えばロール紙を使用する。また、以下に示す製造方法はロール式に限らず、枚葉式で行うことも可能である。

次に、バインダと熱膨張性材料（熱膨張性マイクロカプセル）とを混合させ、公知の分散装置等を用いて、応力緩衝層１２を形成するための塗布液を調製する。続いて、バーコータ、ローラーコータ、スプレーコータ等の公知の塗布装置を用いて、塗布液を基材１１の一方の面上に塗布する。続いて、塗膜を乾燥させ、図２（ａ）に示すように応力緩衝層１２を形成する。なお、目標とする応力緩衝層１２の厚みを得るため、塗布液の塗布及び乾燥を複数回行ってもよい。なお、応力緩衝層１２は、熱膨張性材料を含まなくともよい。この場合は、塗布液を調製する際、熱膨張性材料を添加しない。

次に、熱可塑性樹脂等からなるバインダと熱膨張性材料とを用い、公知の分散装置等を用いて、熱膨張層１３を形成するための塗布液を調製する。続いて、バーコータ、ローラーコータ、スプレーコータ等の公知の塗布装置を用いて、塗布液を応力緩衝層１２の上に塗布する。続いて、塗膜を乾燥させ、図２（ｂ）に示すように熱膨張層１３を形成する。なお、目標とする熱膨張層１３の厚みを得るため、塗布液の塗布及び乾燥を複数回行ってもよい。

ここで、応力緩衝層１２中に熱膨張性材料を含む場合、応力緩衝層１２において、バインダに対する熱膨張性材料の含有率は、熱膨張層１３におけるバインダに対する熱膨張性材料の含有率より比較して低くし、例えば、重量比で１／３〜１／８程度とする。また、応力緩衝層１２と、熱膨張層１３とは、バインダ、熱膨張性材料の少なくとも一方が同じ材料を用いて形成されることが好ましい。

次に、熱可塑性樹脂等からなるバインダと熱膨張性材料とを用い、公知の分散装置等を用いて、カバー層１４を形成するための塗布液を調製する。続いて、バーコータ、ローラーコータ、スプレーコータ等の公知の塗布装置を用いて、塗布液を熱膨張層１３上に塗布する。続いて、塗膜を乾燥させ、図２（ｃ）に示すようにカバー層１４を形成する。なお、目標とするカバー層１４の厚みを得るため、塗布液の塗布及び乾燥を複数回行ってもよい。

ここで、カバー層１４中に熱膨張性材料を含む場合、カバー層１４において、バインダに対する熱膨張性材料の含有率は、熱膨張層１３におけるバインダに対する熱膨張性材料の含有率より比較して低くし、例えば、重量比で１／３〜１／８程度とする。また、カバー層１４と、熱膨張層１３とは、バインダ、熱膨張性材料の少なくとも一方が同じ材料を用いて形成されることが好ましい。

次に、インク受容層１５を構成する材料、例えば多孔質シリカ等を用いて塗布液を調製する。続いて、この塗布液を、バーコータ、ローラーコータ、スプレーコータ等の方式による公知の塗布装置を用いて、カバー層１４上に塗布する。なお、目標とするインク受容層１５の厚みを得るため、塗布液の塗布及び乾燥を複数回行ってもよい。続いて、塗膜を乾燥させ、図２（ｄ）に示すように、インク受容層１５を形成する。

続いて、ロール状の基材１１を用いた場合は、造形システム２０に適合する大きさに裁断を行う。

以上の工程により、熱膨張性シート１０が製造される。

（造形システム）
次に、図３（ａ）〜図３（ｃ）を参照して、熱膨張性シート１０に造形物を製造するための造形システム２０について説明する。図３（ａ）は、造形システム２０の正面図である。図３（ｂ）は、天板２２を閉じた状態における造形システム２０の平面図である。図３（ｃ）は、天板２２を開いた状態における造形システム２０の平面図である。図３（ａ）〜図３（ｃ）において、Ｘ方向は、印刷ユニット４０と膨張ユニット５０とが並ぶ方向に相当し、Ｙ方向は、印刷ユニット４０及び膨張ユニット５０における熱膨張性シート１０の搬送方向に相当し、Ｚ方向は、鉛直方向に相当する。Ｘ方向とＹ方向とＺ方向とは、互いに直交する。

造形システム２０は、制御ユニット３０と、印刷ユニット４０と、膨張ユニット５０と、表示ユニット６０と、を備える。制御ユニット３０、印刷ユニット４０、膨張ユニット５０は、それぞれ図３（ａ）に示すようにフレーム２１内に載置される。具体的に、フレーム２１は、一対の略矩形状の側面板２１ａと、側面板２１ａの間に設けられた連結ビーム２１ｂとを備え、側面板２１ａの上方に天板２２が渡されている。また、側面板２１ａの間に渡された連結ビーム２１ｂの上に印刷ユニット４０及び膨張ユニット５０がＸ方向に並んで設置され、連結ビーム２１ｂの下に制御ユニット３０が固定されている。表示ユニット６０は天板２２内に、天板２２の上面と高さが一致するように埋設されている。

（制御ユニット）
制御ユニット３０は、印刷ユニット４０、膨張ユニット５０及び表示ユニット６０を制御する。また、制御ユニット３０は、印刷ユニット４０、膨張ユニット５０、及び表示ユニット６０に電源を供給する。制御ユニット３０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等を有する制御部と、フラッシュメモリ、ハードディスク等を備える記憶部と、外部の装置と通信するためのインタフェースである通信部と、可搬型の記録媒体に記録されているプログラム又はデータを読み出す記録媒体駆動部と、を備える（いずれも図示せず）。これら各部は、信号を伝達するためのバスによって接続されている。また、記録媒体駆動部は、印刷ユニット４０によって印刷されるカラー画像データ、表面発泡データ及び裏面発泡データを、可搬型の記録媒体から読み出して取得する。ここで、カラー画像データは、熱膨張性シート１０の表面に印刷するカラー画像を示すデータである。表面発泡データは、熱膨張性シート１０の表面において発泡及び膨張させる部分を示すデータである。また、裏面発泡データは、熱膨張性シート１０の裏面において発泡及び膨張させる部分を示すデータである。

（印刷ユニット）
印刷ユニット４０は、熱膨張性シート１０の表面及び／又は裏面に印刷を行う。本実施形態では印刷ユニット４０は、インクを微滴化し、被印刷媒体に対して直接に吹き付ける方式で画像を印刷するインクジェットプリンタである。印刷ユニット４０では、任意のインクを使用することができ、例えば水性インク、溶剤インク、紫外線硬化インク等を使用することができる。なお、印刷ユニット４０は、インクジェットプリンタに限らず、任意の印刷装置を用いることができる。

また、印刷ユニット４０では、シアン、マゼンタ及びイエローの色インクのインクカートリッジを備え、これらのインクによりカラー画像が表現される。また、インクカートリッジには、電磁波熱変換材料（熱変換材料）を含むインクも備えられる。電磁波熱変換材料（熱変換材料）は、電磁波を熱に変換可能な材料である。熱変換材料の一例としては、これに限るものではないが、カーボン分子であるカーボンブラック（グラファイト）が挙げられる。電磁波を照射することにより、グラファイトが電磁波を吸収して熱振動し、熱が発生する。なお、熱変換材料は、グラファイトに限られず、例えば、赤外線吸収材料などの無機材料も使用することができる。カーボンブラックを含む黒色インクが、本実施形態では、熱変換インクに相当する。本実施形態では黒色インクを用いて、熱変換層を印刷する。なお、カラーインク層８２において黒又はグレーの色を形成するため、カラーインクとして、カーボンブラックを含まない黒のカラーインクを更に備えてもよい。

印刷ユニット４０は、図３（ｃ）に示すように、熱膨張性シート１０を搬入するための搬入部４０ａと、熱膨張性シート１０を搬出するための搬出部４０ｂと、を備える。印刷ユニット４０は、搬入部４０ａから搬入された熱膨張性シート１０の表面及び／又は裏面に指示された画像を印刷し、画像が印刷された熱膨張性シート１０を搬出部４０ｂから搬出する。

印刷ユニット４０は、制御ユニット３０から画像データを取得し、取得した画像データに基づいて印刷を実行する。具体的に説明すると、印刷ユニット４０は、画像データとして、カラー画像データと表面発泡データと裏面発泡データとを取得する。印刷ユニット４０は、印刷ヘッドに、シアン、マゼンタ及びイエローの各インクを熱膨張性シート１０に向けて噴射させて、カラー画像を印刷する。また、印刷ユニット４０は、印刷ヘッドに、カーボンブラックを含むブラックの黒色インクを熱膨張性シート１０に向けて噴射させて、表面発泡データ又は裏面発泡データに対応する黒色による濃淡画像（濃淡パターン）を印刷する。

（膨張ユニット）
膨張ユニット５０は、熱膨張性シート１０の表面及び／又は裏面に電磁波を照射し、熱膨張層の少なくとも一部を膨張させる。膨張ユニット５０は、ランプヒータと、ランプヒータから照射された電磁波を熱膨張性シート１０に向けて反射する反射板と、反射板の温度を測定する温度センサと、膨張ユニット５０の内部を冷却する冷却部と、熱膨張性シート１０を挟持して搬送ガイドに沿って搬送する搬送ローラ対と、搬送ローラ対を回転させるための搬送モータ等を備える（いずれも図示せず）。

ランプヒータは、例えばハロゲンランプを備えており、熱膨張性シート１０に対して、近赤外領域（波長７５０〜１４００ｎｍ）、可視光領域（波長３８０〜７５０ｎｍ）、又は、中赤外領域（波長１４００〜４０００ｎｍ）の電磁波（光）を照射する。熱変換材料を含む熱変換インク（発熱インク）による濃淡画像が印刷された熱膨張性シート１０に電磁波を照射すると、濃淡画像が印刷された部分では、濃淡画像が印刷されていない部分に比べて、より効率良く電磁波が熱に変換される。そのため、熱膨張性シート１０のうちの濃淡画像が印刷された部分が主に加熱され、膨張を開始する温度に達すると熱膨張性材料が膨張する。なお、照射部はハロゲンランプに限られず、電磁波を照射可能であれば、他の構成を採ることも可能である。また、電磁波の波長も上記の範囲に限定されるものではない。

膨張ユニット５０は、熱膨張性シート１０の表面及び／又は裏面に電磁波を照射し、熱膨張層１３の少なくとも一部を膨張させる。膨張ユニット５０は、図３（ｃ）に示すように、熱膨張性シート１０を搬入するための搬入部５０ａと、熱膨張性シート１０を搬出するための搬出部５０ｂと、を備える。膨張ユニット５０は、搬入部５０ａから搬入された熱膨張性シート１０の表面及び／又は裏面に電磁波を照射し、熱膨張層１３の少なくとも一部を膨張させ、熱膨張層１３が膨張された熱膨張性シート１０を搬出部５０ｂから搬出する。

膨張ユニット５０において、熱膨張性シート１０は、搬入部５０ａからユニット内部へと搬入され、搬送ローラ対によって搬送されながら、照射部によって照射される電磁波を受ける。その結果、熱膨張性シート１０のうち、濃淡画像である表側変換層８１又は裏側変換層８３が印刷された部分が熱を帯びる。この熱が熱膨張層１３へと伝達し、熱膨張層１３の少なくとも一部が膨張する。このように加熱されて膨張した熱膨張性シート１０は、搬出部５０ｂから搬出される。

（表示ユニット）
表示ユニット６０は、液晶ディスプレイ、有機ＥＬ（Electro Luminescence）ディスプレイ等の表示装置と、表示装置に画像を表示させる表示駆動回路と、を備える。表示ユニット６０は、例えば図３（ｂ）に示すように、印刷ユニット４０によって熱膨張性シート１０に印刷される画像を表示する（例えば、図３（ｂ）に示す星）。また、表示ユニット６０は、必要に応じて、印刷ユニット４０又は膨張ユニット５０の現在の状態を示す情報を表示する。

なお、図示していないが、造形システム２０は、ユーザによって操作される操作ユニットを備えていても良い。操作ユニットは、ボタン、スイッチ、ダイヤル等を備え、印刷ユニット４０又は膨張ユニット５０に対する操作を受け付ける。或いは、表示ユニット６０は、表示装置と操作装置とが重ねられたタッチパネル又はタッチスクリーンを備えていてもよい。

本実施形態の造形システム２０によれば、濃淡画像（表面発泡データ、裏面発泡データ）の濃淡の制御、電磁波の制御等により、熱膨張性材料の膨張量を制御し、熱膨張層１３の隆起する高さを制御し、熱膨張性シート１０の表面に所望の凹凸形状を形成することができる。

ここで、電磁波の制御は、造形システム２０において熱膨張性シート１０に電磁波を照射して膨張させる際、熱膨張性シート１０を所望の高さに膨張させるために、熱膨張性シート１０が単位面積当たりに受けるエネルギー量を制御することをいう。具体的に、熱膨張性シート１０が単位面積当たりに受けるエネルギー量は、照射部の照射強度、移動速度、照射時間、照射距離、温度、湿度、冷却等のパラメータによって変化する。電磁波の制御は、このようなパラメータの少なくとも１つを制御することによって実行される。

（造形物の製造方法）
次に、図４に示すフローチャート及び図５（ａ）〜図６（ｅ）に示す熱膨張性シート１０の断面図を参照して、造形システム２０によって熱膨張性シート１０上に造形物を製造する処理の流れを説明する。

第１に、ユーザは、造形物が製造される前の熱膨張性シート１０を準備し、表示ユニット６０を介して、カラー画像データ、表面発泡データ及び裏面発泡データを指定する。そして、熱膨張性シート１０を、その表面を上側に向けて印刷ユニット４０に挿入する。印刷ユニット４０は、挿入された熱膨張性シート１０の表面に熱変換層（表側変換層８１）を印刷する（ステップＳ１）。表側変換層８１は、電磁波熱変換材料を含むインク、例えばカーボンブラックを含む黒色インクで形成された層である。印刷ユニット４０は、指定された表面発泡データに従って、熱膨張性シート１０の表面に、カーボンブラックを含む黒色インクを吐出する。その結果、図５（ａ）に示すように、インク受容層１５上に表側変換層８１が形成される。なお、理解を容易とするため、インク受容層１５上に表側変換層８１が形成されているように図示しているが、より正確には黒色インクはインク受容層１５中に受容されているため、インク受容層１５中に表側変換層８１が形成されている。

第２に、ユーザは、表側変換層８１が印刷された熱膨張性シート１０を、その表面を上側に向けて膨張ユニット５０に挿入する。膨張ユニット５０は、挿入された熱膨張性シート１０へ表面から電磁波を照射する（ステップＳ２）。具体的に説明すると、膨張ユニット５０は、照射部によって熱膨張性シート１０の表面に電磁波を照射する。熱膨張性シート１０の表面に印刷された表側変換層８１に含まれる熱変換材料は、照射された電磁波を吸収することによって発熱する。その結果、表側変換層８１が発熱し、図５（ｂ）に示すように、熱膨張性シート１０の熱膨張層１３のうちの表側変換層８１が印刷された領域が膨張し、盛り上がる。

第３に、熱膨張層１３の一部が膨張した熱膨張性シート１０を、その表面を上側に向けて印刷ユニット４０に挿入する。印刷ユニット４０は、挿入された熱膨張性シート１０の表面にカラー画像（カラーインク層８２）を印刷する（ステップＳ３）。具体的には、印刷ユニット４０は、指定されたカラー画像データに従って、熱膨張性シート１０の表面に、シアン、マゼンタ及びイエローの各インクを吐出する。その結果、図５（ｃ）に示すように、インク受容層１５上にカラーインク層８２が形成される。なお、インク受容層１５上にカラーインク層８２が形成されているように図示しているが、より正確にはカラーインクはインク受容層１５中に受容されている。

第４に、カラーインク層８２の形成後、カラーインク層８２を乾燥させる（ステップＳ４）。例えば、ユーザは、カラーインク層８２が印刷された熱膨張性シート１０を、その裏面を上側に向けて膨張ユニット５０に挿入し、膨張ユニット５０は、挿入された熱膨張性シート１０を裏面から加熱し、熱膨張性シート１０の表面に形成されたカラーインク層８２を乾燥させる。具体的に説明すると、膨張ユニット５０は、照射部によって熱膨張性シート１０の裏面に電磁波を照射させ、カラーインク層８２を加熱し、カラーインク層８２中に含まれる溶媒を揮発させる。なお、ステップＳ４は省略することも可能である。

第５に、ユーザは、カラーインク層８２が印刷された熱膨張性シート１０を、その裏面を上側に向けて印刷ユニット４０に挿入する。印刷ユニット４０は、挿入された熱膨張性シート１０の裏面に熱変換層（裏側変換層８３）を印刷する（ステップＳ５）。裏側変換層８３は、熱膨張性シート１０の表面に印刷された表側変換層８１と同様に、電磁波を熱に変換する材料、具体的にはカーボンブラックを含む黒色インクで形成された層である。印刷ユニット４０は、指定された裏面発泡データに従って、熱膨張性シート１０の裏面に、カーボンブラックを含む黒色インクを吐出する。その結果、図６（ｄ）に示すように、基材１１の裏面に裏側変換層８３が形成される。

第６に、ユーザは、裏側変換層８３が印刷された熱膨張性シート１０を、その裏面を上側に向けて膨張ユニット５０に挿入する。膨張ユニット５０は、挿入された熱膨張性シート１０へ裏面から電磁波を照射して加熱する（ステップＳ６）。具体的に説明すると、膨張ユニット５０は、照射部（図示せず）によって熱膨張性シート１０の裏面に電磁波を照射させる。熱膨張性シート１０の裏面に印刷された裏側変換層８３は、照射された電磁波を吸収することによって発熱する。その結果、図６（ｅ）に示すように、熱膨張性シート１０の熱膨張層１３のうち、裏側変換層８３が印刷された領域が膨張し、盛り上がる。

以上のような手順によって、熱膨張性シート１０の表面上に造形物が形成される。

なお、熱変換層は表側のみ又は裏側のみに形成されてもよい。表側変換層８１のみを利用して熱膨張層１３を膨張させる場合、上記の処理のうちステップＳ１〜Ｓ４を実施する。一方、裏側変換層８３のみを利用して熱膨張層１３を膨張させる場合、上記の処理のうち、ステップＳ３〜ステップＳ６を実施する。

本実施形態の熱膨張性シート１０及び熱膨張性シート１０の製造方法によれば、熱膨張層１３上に伸縮性を有するカバー層１４を備える。これにより、熱膨張層１３を膨張させた際に熱膨張層１３中に亀裂が発生することを抑制するとともに、熱膨張層１３中に亀裂が発生した場合も亀裂をカバー層１４によって隠すことができる。また、基材１１と熱膨張層１３との間に伸縮性を有する応力緩衝層１２を備えることにより、基材１１と熱膨張層１３との間の応力差を緩和し、熱膨張層１３中に亀裂が生ずることを防ぐことができる。なお、本願発明の構成を備えないシートでは、特に基材が樹脂からなる場合に、熱膨張層中に亀裂が比較的多く発生する。従って、本願発明の構成は、基材１１が紙の場合でも効果があるが、基材１１として樹脂フィルムを用いた場合に優れた効果を発揮する。

また、応力緩衝層１２は、基材１１と良好に密着するため、熱膨張層１３が基材１１から剥離することを防ぐこともできる。なお、本願発明の構成を備えないシートでは、特に基材が樹脂からなる場合に、熱膨張層の剥離が生じやすい。従って、本願発明の構成は、基材１１が紙の場合でも効果があるが、基材１１として樹脂フィルムを用いた場合に特に優れた効果を発揮する。

例えば、比較例として、図７（ａ）に熱膨張層のみ、換言すれば応力緩衝層及びカバー層を備えない熱膨張性シートを膨張させた例を示す。この構成では、図７（ａ）に示すように、熱膨張層の表面に亀裂が発生する。このような亀裂は、熱膨張層の隆起によって表現される造形物の美観を損なう。また、亀裂の上にカラーインク層を形成すると、亀裂部分にカラーインクが均一に載らず、カラーインク層の美観も損なわれる。

これに対し、本実施形態と同様の構成を採る図７（ｂ）に示す熱膨張性シートでは、熱膨張層の膨張によって熱膨張層の表面に亀裂が発生した場合も、カバー層によって亀裂を隠すことができる。従って、熱膨張層の隆起によって表現される造形物の美観が損なわれず、良好なものとすることができる。また、カラーインク層も熱膨張層上に良好に形成することができる。

本発明は上述した実施形態に限られず、様々な変形及び応用が可能である。
例えば、熱膨張性シート１０は、図８（ａ）に示すように、カバー層１４中に白色顔料Ｗを含むこともできる。白色顔料Ｗとしては、白色を呈する顔料であれば任意の材料を用いることができ、例えば酸化チタン、硫酸バリウム、酸化亜鉛等から選択される材料を用いることができる。白色顔料Ｗとしては、特に酸化チタンが好ましい。本実施形態では、カバー層１４中に白色顔料Ｗを混合させることにより、熱膨張性シート１０の白色度を向上させることができる。

また、上述したように、熱膨張性シート１０の応力緩衝層１２は、図８（ｂ）に示すように熱膨張性材料ＭＣ１を含まなくともよい。また、カバー層１４についても、同様に熱膨張性材料ＭＣ３を含まなくともよい。

また、上述した実施形態は、適宜組み合わせることができる。例えば、応力緩衝層１２とカバー層１４のいずれか一方のみが熱膨張性材料を含み、他方は熱膨張性材料を含まない構成も可能である。また、更にカバー層１４は、熱膨張性材料ＭＣ３を含まないが、白色顔料Ｗは含むという構成も可能である。

なお、各実施形態において用いられている図は、いずれも各実施形態を説明するためのものである。従って、熱膨張性シートの各層の厚みは任意であって、図に示されているような比率で形成されると限定して解釈されることを意図するものではない。例えば、図１では基材１１は熱膨張層１３とほぼ同じ厚みに図示されているが、基材１１が、熱膨張層１３と比較して、図示した例より更に薄くされてもよい。また、反対に基材１１は、熱膨張層１３より厚く形成される構成を排除するものではない。応力緩衝層１２及びカバー層１４等の他の層についても同様である。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、本発明には、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲とが含まれる。以下に、本願出願の当初の特許請求の範囲に記載された発明を付記する。
［付記１］
基材の一方の面上に設けられ、伸縮性を有する応力緩衝層と、
前記応力緩衝層の上に設けられ、熱に応じて膨張する第１の熱膨張性材料と第１のバインダとを含む熱膨張層と、
前記熱膨張層上に設けられ、伸縮性を有するカバー層と、を備える、
ことを特徴とする熱膨張性シート。
［付記２］
前記応力緩衝層は、第２のバインダと第２の熱膨張性材料と含む、
ことを特徴とする付記１に記載の熱膨張性シート。
［付記３］
前記熱膨張層は、前記第１の熱膨張性材料を前記第１のバインダに対して第１の割合で含み、
前記応力緩衝層は、前記第２の熱膨張性材料を前記第２のバインダに対して第２の割合で含み、
前記第２の割合は、前記第１の割合と比較して小さい、
ことを特徴とする付記２に記載の熱膨張性シート。
［付記４］
前記第１の熱膨張性材料と前記第２の熱膨張性材料は同じ材料である、及び／又は、
前記第１のバインダと前記第２のバインダとは同じ材料である、
ことを特徴とする付記２又は３に記載の熱膨張性シート。
［付記５］
前記カバー層は、第３のバインダと第３の熱膨張性材料と含む、
ことを特徴とする付記１乃至４のいずれか１つに記載の熱膨張性シート。
［付記６］
前記熱膨張層は、前記第１の熱膨張性材料を前記第１のバインダに対して第１の割合で含み、
前記カバー層は、前記第３の熱膨張性材料を前記第３のバインダに対して第３の割合で含み、
前記第３の割合は、前記第１の割合と比較して小さい、
ことを特徴とする付記５に記載の熱膨張性シート。
［付記７］
前記第１の熱膨張性材料と前記第３の熱膨張性材料は同じ材料である、及び／又は、
前記第１のバインダと前記第３のバインダとは同じ材料である、
ことを特徴とする付記５又は６に記載の熱膨張性シート。
［付記８］
前記カバー層は、白色顔料を更に含む、
ことを特徴とする付記１乃至７のいずれか１つに記載の熱膨張性シート。
［付記９］
基材の一方の面上に伸縮性を有する応力緩衝層を形成する工程と、
前記応力緩衝層の上に、熱に応じて膨張する第１の熱膨張性材料と第１のバインダとを含む熱膨張層を形成する工程と、
前記熱膨張層上に、伸縮性を有するカバー層を形成する工程と、を備える、
ことを特徴とする熱膨張性シートの製造方法。
［付記１０］
第２のバインダと第２の熱膨張性材料とにより前記応力緩衝層を形成する、
ことを特徴とする付記９に記載の熱膨張性シートの製造方法。
［付記１１］
前記熱膨張層を形成する工程では、前記第１の熱膨張性材料を前記第１のバインダに対して第１の割合で混合させ、
前記応力緩衝層を形成する工程では、第２の熱膨張性材料を第２のバインダに対して第２の割合で混合させ、
前記第２の割合を、前記第１の割合と比較して小さくする、
ことを特徴とする付記１０に記載の熱膨張性シートの製造方法。
［付記１２］
前記第１の熱膨張性材料と前記第２の熱膨張性材料は同じ材料である、及び／又は、
前記第１のバインダと前記第２のバインダとは同じ材料である、
ことを特徴とする付記１０又は１１に記載の熱膨張性シートの製造方法。
［付記１３］
第３のバインダと第３の熱膨張性材料とにより前記カバー層を形成する、
ことを特徴とする付記９乃至１２のいずれか１つに記載の熱膨張性シートの製造方法。
［付記１４］
前記熱膨張層を形成する工程では、前記第１の熱膨張性材料を前記第１のバインダに対して第１の割合で混合させ、
前記カバー層を形成する工程では、第３の熱膨張性材料を第３のバインダに対して第３の割合で含み、
前記第３の割合は、前記第１の割合と比較して小さい、
ことを特徴とする付記１３に記載の熱膨張性シートの製造方法。
［付記１５］
前記第１の熱膨張性材料と前記第３の熱膨張性材料は同じ材料である、及び／又は、
前記第１のバインダと前記第３のバインダとは同じ材料である、
ことを特徴とする付記１３又は１４に記載の熱膨張性シートの製造方法。
［付記１６］
前記カバー層は、白色顔料を更に含む、
ことを特徴とする付記９乃至１５のいずれか１つに記載の熱膨張性シートの製造方法。

１０…熱膨張性シート、１１…基材、１２…応力緩衝層、１３…熱膨張層、１４…カバー層、１５…インク受容層、２０…造形システム、２１…フレーム、２１ａ…側面板、２１ｂ…連結ビーム、２２…天板、３０…制御ユニット、４０…印刷ユニット、４０ａ…搬入部、４０ｂ…搬出部、５０…膨張ユニット、５０ａ…搬入部、５０ｂ…搬出部、６０…表示ユニット、８１…表側変換層、８２…カラーインク層、８３…裏側変換層

Claims (16)

1. 基材の一方の面上に設けられ、伸縮性を有する応力緩衝層と、
   前記応力緩衝層の上に設けられ、熱に応じて膨張する第１の熱膨張性材料と第１のバインダとを含む熱膨張層と、
   前記熱膨張層上に設けられ、伸縮性を有するカバー層と、を備える、
   ことを特徴とする熱膨張性シート。
2. 前記応力緩衝層は、第２のバインダと第２の熱膨張性材料と含む、
   ことを特徴とする請求項１に記載の熱膨張性シート。
3. 前記熱膨張層は、前記第１の熱膨張性材料を前記第１のバインダに対して第１の割合で含み、
   前記応力緩衝層は、前記第２の熱膨張性材料を前記第２のバインダに対して第２の割合で含み、
   前記第２の割合は、前記第１の割合と比較して小さい、
   ことを特徴とする請求項２に記載の熱膨張性シート。
4. 前記第１の熱膨張性材料と前記第２の熱膨張性材料は同じ材料である、及び／又は、
   前記第１のバインダと前記第２のバインダとは同じ材料である、
   ことを特徴とする請求項２又は３に記載の熱膨張性シート。
5. 前記カバー層は、第３のバインダと第３の熱膨張性材料と含む、
   ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の熱膨張性シート。
6. 前記熱膨張層は、前記第１の熱膨張性材料を前記第１のバインダに対して第１の割合で含み、
   前記カバー層は、前記第３の熱膨張性材料を前記第３のバインダに対して第３の割合で含み、
   前記第３の割合は、前記第１の割合と比較して小さい、
   ことを特徴とする請求項５に記載の熱膨張性シート。
7. 前記第１の熱膨張性材料と前記第３の熱膨張性材料は同じ材料である、及び／又は、
   前記第１のバインダと前記第３のバインダとは同じ材料である、
   ことを特徴とする請求項５又は６に記載の熱膨張性シート。
8. 前記カバー層は、白色顔料を更に含む、
   ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の熱膨張性シート。
9. 基材の一方の面上に伸縮性を有する応力緩衝層を形成する工程と、
   前記応力緩衝層の上に、熱に応じて膨張する第１の熱膨張性材料と第１のバインダとを含む熱膨張層を形成する工程と、
   前記熱膨張層上に、伸縮性を有するカバー層を形成する工程と、を備える、
   ことを特徴とする熱膨張性シートの製造方法。
10. 第２のバインダと第２の熱膨張性材料とにより前記応力緩衝層を形成する、
    ことを特徴とする請求項９に記載の熱膨張性シートの製造方法。
11. 前記熱膨張層を形成する工程では、前記第１の熱膨張性材料を前記第１のバインダに対して第１の割合で混合させ、
    前記応力緩衝層を形成する工程では、第２の熱膨張性材料を第２のバインダに対して第２の割合で混合させ、
    前記第２の割合を、前記第１の割合と比較して小さくする、
    ことを特徴とする請求項１０に記載の熱膨張性シートの製造方法。
12. 前記第１の熱膨張性材料と前記第２の熱膨張性材料は同じ材料である、及び／又は、
    前記第１のバインダと前記第２のバインダとは同じ材料である、
    ことを特徴とする請求項１０又は１１に記載の熱膨張性シートの製造方法。
13. 第３のバインダと第３の熱膨張性材料とにより前記カバー層を形成する、
    ことを特徴とする請求項９乃至１２のいずれか１項に記載の熱膨張性シートの製造方法。
14. 前記熱膨張層を形成する工程では、前記第１の熱膨張性材料を前記第１のバインダに対して第１の割合で混合させ、
    前記カバー層を形成する工程では、第３の熱膨張性材料を第３のバインダに対して第３の割合で含み、
    前記第３の割合は、前記第１の割合と比較して小さい、
    ことを特徴とする請求項１３に記載の熱膨張性シートの製造方法。
15. 前記第１の熱膨張性材料と前記第３の熱膨張性材料は同じ材料である、及び／又は、
    前記第１のバインダと前記第３のバインダとは同じ材料である、
    ことを特徴とする請求項１３又は１４に記載の熱膨張性シートの製造方法。
16. 前記カバー層は、白色顔料を更に含む、
    ことを特徴とする請求項９乃至１５のいずれか１項に記載の熱膨張性シートの製造方法。

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