JP5735762B2 - 染色方法 - Google Patents
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Description
本発明は常圧下にて被染色物を染色する方法、及び該染色方法に用いる染料蒸着装置に関する。
昇華性染料を含有する染色用インクを紙等の基体上に塗布（出力）させ、これを真空中でレンズ等の被染色物と非接触に置き、昇華性染料をレンズ側に飛ばして染色を行う方法（以下 気相転写染色方法と記す）による染色方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。このような気相転写染色方法は、従来、染色液に被染色物を所定時間だけ浸漬させて染色を行う方法では染色することのできなかった樹脂材料に対しても染色を行うことができ、廃液処理の問題や悪臭の存在する環境での染色作業が無いという利点がある。
特開２００１−２１５３０６号公報
しかしながら、前述した気相転写染色法は真空中にて行う作業を必要としているため、量産性が良くないという問題があった。
上記従来技術の問題点に鑑み、気相転写染色方法の技術を用いながら量産性を上げることのできる染色方法、及び該方法に用いる染料蒸着装置を提供することを技術課題とする。
上記課題を解決するために、本発明は以下のような構成を備えることを特徴とする。
（１） 被染色物を染色する方法において、大気圧下において昇華性染料と被染色物との間隔を０．１ｍｍ以上１０ｍｍ以下の間隔で離した状態で対向させ前記昇華性染料を加熱して前記被染色物に向けて昇華させるステップであって，前記被染色物の染色予定領域に対して前記昇華性染料の蒸着が部分的となるように定めるとともに前記昇華性染料が蒸着される前記部分的な領域が前記染色予定領域において経時的に変更するように前記染色予定領域における前記昇華性染料の昇華位置を相対的に移動させて前記染色予定領域に前記昇華性染料を付ける第１ステップと、第１ステップにて前記昇華性染料が付けられた被染色物の一部の領域に対して染料定着用のレーザ光を走査して加熱することによって，前記一部の領域上に付けられた前記昇華性染料のみを前記被染色物に定着させて染色を行うことにより記号、文字、デザイン等からなる部分的な定着領域を前記被染色物に形成する第２ステップと、を有することを特徴とする。
（２） （１）の染色方法において、前記第１ステップでは前記昇華性染料が塗布された基体の塗布面を染料昇華用のレーザ光により加熱することにより前記昇華性染料を前記被染色物に対して昇華させることを特徴とする。
（２） （１）の染色方法において、前記第１ステップでは前記昇華性染料が塗布された基体の塗布面を染料昇華用のレーザ光により加熱することにより前記昇華性染料を前記被染色物に対して昇華させることを特徴とする。
本発明によれば、気相転写染色方法の技術を用いながら、すべての工程を常圧下にて行うことができ量産性を上げることができる。
以下、本発明の実施の形態を図面を参考にしつつ説明する。図１は本実施形態に使用される染色システムの概略図を示した図である。
染色システムは、被染色物１０に向けて昇華性染料を昇華させ蒸着（転写）させるための気相転写機２０（染料蒸着装置）と、昇華性染料が蒸着した被染色物１０を加熱させ染色を行うための加熱手段となるオーブン２００とを有する。なお、本実施形態では透明な樹脂からなるプレート（平板）を被染色物１０として用いるものとしている。透明な樹脂としては、例えばポリカーボネート系樹脂、ポリウレタン系樹脂、アリル系樹脂、フマル酸系樹脂、スチレン系樹脂、ポリメチルアクリレート系樹脂、繊維系樹脂（例えば、セルロースプロピオネート）、さらにはチオウレタン系やチオエポキシ系等の高屈折率の材料等を用いることができる。
気相転写機１００は、レーザ光源２０、レンズ２１、ステージ２２、載置台２３、制御部２４等から構成される。レーザ光源２０はステージ２２の上方に設置され、ステージ２２に向けてレーザ光を照射して基体１に形成された昇華性染料の塗布領域１ａを加熱し昇華させる役目を持つ。レンズ２１はレーザ光源２０とステージ２２との間に置かれ、レーザ光源２０から出射したレーザ光をステージ上に置かれた基体１に集光させる。なお、レーザ光源２０及びレンズ２１は、図示なき固定部材により固定保持されている。また、塗布領域１ａに対してレーザ光を集光させて加熱する必要がなければレンズ２１を用いる必要はない。さらにレンズ２１に換えてビームエキスパンダレンズによりレーザ光の光径を広げた後、、シリンドリカルレンズによりラインフォーカスさせる構成としてもよい。
レーザ光源から出射されるレーザ光は、昇華性染料を昇華させるために用いられるため、基体１及び昇華性染料を加熱するために赤外域の波長を有する光（レーザ光）か、昇華性染料及び基体１の少なくともどちらか一方に吸収波長を有する光（レーザ光）である。レーザ光源としては昇華性染料（または基体）を加熱し昇華性染料を昇華させることのできる波長、及び出力が得られる光源であれば特に限定されるものではなく、例えば半導体レーザ光源等の既知のレーザ光源を使用することが可能である。
ステージ２２は基体１を置くための載置面（上面）と、載置面の４隅に設けられた柱状の載置台２３とを有する。載置台２３上には被染色物１０が染色予定面を下にして載せられ保持される。また、ステージ２２は図示なき駆動機構によって水平面上（前後左右方向）を移動可能とされている。ステージ２２の移動は、コントロール部２４によって予め設定された移動速度、移動方向に基づき行われる。なお、コントロール部２４は、レーザ光源２０から出射されるレーザ光の出力を設定することもできる。
ステージ２２の水平方向への移動は、レーザ光源２０から出射されるレーザ光の基体１上での照射位置、及び被染色物１０における昇華性染料の蒸着位置を変えるために行われる。本実施形態ではステージ２２を水平方向に移動させることにより、レーザ光に対する基体１及び被染色物１０の位置を変更するものとしているが、これに限るものではない。レーザ光の照射位置が基体１及び被染色物１０に対して相対的に変化すればよいため、レーザ光源２０をステージ２２に対して水平方向に移動させるような機構であってもよい。また、レーザ光源２０から出射されたレーザ光を反射ミラーを介して基体１に向けて照射させる機構とし、反射ミラーの反射面の角度を変えることによりレーザ光の照射位置を基体１及び被染色物１０に対して変更することもできる。
載置台２３は被染色物１０の染色予定面とステージ２２の載置面に置かれる基体１との間隔ｄを定めるものである。このような間隔ｄは好ましくは０．１ｍｍ以上１０ｍｍ以下、さらに好ましくは０．５ｍｍ以上５ｍｍ以下である。間隔ｄが１０ｍｍを越えてしまうと、レーザー光による加熱によって大気中に昇華する昇華性染料の分散の影響が大きく、所望する染色濃度が得られなかったり、色ムラの原因となってしまう。
基体１は、紙等の媒体に昇華性染料を含む染色用インクが図示なきインクジェットプリンタにより塗布（出力）され塗布領域１ａが形成されたものである。インクジェットプリンタに用いられる染色用インクは、少なくとも赤、青、黄、の計３色が用いられる。染色用インク中に含有される染料は昇華性を有しつつ、昇華時の熱に耐えうる染料を使用する必要がある。染料としてはキノフタロン系昇華性染料またはアントラキノン系昇華性染料が好適に用いられる。なお、本実施形態ではインクジェットプリンタにより染色用インクを印刷用紙に出力させることにより塗布領域１ａが形成された基体１を得るものとしているが、これに限るものではなく。レザープリンターや他の塗布手段を用いて昇華性染料が紙等の媒体に塗布することができるものであればよい。また、基体１に用いられる媒体は紙に限るものではなく、金属の薄板や薄いプラスチック板等の昇華性染料を塗布でき、熱により昇華性染料を基体に定着させることなく昇華させることのできる媒体であればよい。
オーブン２００は気相転写機１００にて昇華性染料がついた被染色物１０を所定温度で加熱して染料を定着、発色させるための加熱手段として用いられる。被染色物１０の染色予定面には昇華性染料が蒸着することによって蒸着領域１０ａが形成されており、オーブン２００内に備えられる載置台３０上に被染色物１０が載せられた状態で加熱される。なお、オーブン２００は昇華性染料を直接、または間接的に加熱し、被染色物１０に定着させることのできるものであれば、特に限定されるものではない。例えば、熱風を送り被染色物１０全体を加熱することのできるドライオーブンや、ＩＲヒーター、ハロゲンランプを用いたオーブン等、既知の加熱手段を用いることができる。また、被染色物１０の全体を一度に加熱するのではなく、加熱用のレーザ光を被染色物に対して走査することにより、昇華性染料がついた被染色物に対して所定領域内を部分的に加熱させ、加熱された部分（領域）につけられている昇華性染料のみを定着させることもできる。このような加熱方法を用いれば被染色物に所望する色にて記号、文字やデザイン等を染色により形成することができる。レーザ光を用いる場合には、被染色物、または昇華性染料に対して吸収波長を持つレーザ光を使用すればよい
なお、オーブン２００による加熱は、被染色物１０の耐熱温度以下で、できるだけ高温に設定された温度にオーブン内を加熱し、昇華性染料の定着に必要とされる予め定めておいた時間だけ行われる。例えば被染色物１０の全体を一度に加熱する場合、実際の加熱温度は昇華性染料に対して５０〜２００℃程度、加熱時間は３０分〜２時間程である
以上のような構成を備える染色システムにおいて、その動作を説明する。
なお、オーブン２００による加熱は、被染色物１０の耐熱温度以下で、できるだけ高温に設定された温度にオーブン内を加熱し、昇華性染料の定着に必要とされる予め定めておいた時間だけ行われる。例えば被染色物１０の全体を一度に加熱する場合、実際の加熱温度は昇華性染料に対して５０〜２００℃程度、加熱時間は３０分〜２時間程である
以上のような構成を備える染色システムにおいて、その動作を説明する。
赤色、青色、黄色の各色の昇華性染料が含有してなる赤色インク，青色インク，黄色インクのカートリッジが装着された図示なきインクジェットプリンターを用いて、印刷紙の片面に少なくとも１色のインクを出力させ、所定の色合いの塗布領域１ａが形成された基体１を得る。塗布領域１ａの色合いの設定、塗布領域の設定、出力指示は、インクジェットプリンターに接続される汎用のＰＣ（パーソナルコンピュータ）により行うものとしている。
次に、被染色物１０と、昇華性染料が含まれたインクにより形成された塗布領域１ａを有する基体１とをステージ２２にセットする。このとき被染色物１０は載置台２３上に載せられ、被染色物１０の染色予定面と基体１の塗布領域１ａとが所定の間隔をあけた状態で対向するように位置決め、固定される。
ステージ２２上に基体１及び被染色物１０がセットされた後、コントロール部２４はレーザ光源２０から所定の出力にてレーザ光を照射させるとともに、レーザ光が基体１の塗布領域１ａ上を走査するように（言い換えれば、被染色物１０の染色予定領域全体に昇華性染料を蒸着させるために）ステージ２２の移動制御を行う。レーザ光源２０から出射されたレーザ光は透明樹脂である被染色物を透過して、その下方に置かれる基体１に集光される。
図２は基体１上に集光されるレーザ光の移動軌跡を示したものである。本実施の形態では、ステージ２２をＸＹ（前後左右）方向に移動させることにより、図２に示すように第１スキャン、折り返して第２スキャン、また折り返して第３スキャンを順次行っている。以降のスキャンも同様である。各スキャンは被染色物の染色予定面全域に昇華性染料が蒸着（つく）ように行われる。なお、ステージ２２の移動速度（レーザ光のスキャン速度）は一律に決定されるものではないが、本件発明は所定の出力のレーザ光が塗布領域１ａのある部分に照射されたときに、その部分における昇華性染料の昇華が生じるのに必要な加熱時間が得られるだけの速度が設定される。
一般的に、大気中にて昇華性染料を加熱し昇華させる場合、昇華した染料が拡散しやすいため、昇華性染料が塗布された基体と被染色物との間隔が広いと被染色物に昇華性染料が好適につきにくい。一方、基体と被染色物との間隔を狭めれば、昇華した染料の分散の影響を抑えることができるが、昇華性染料が塗布された塗布領域を一度に加熱してしまうと、基体との間隔が狭い分だけ被染色物にも加熱温度が伝わってしまい、昇華した染料が被染色物に蒸着しにくくなるという問題が生じる。本発明は基体と被染色物との間隔を狭めた状態で、レーザ光によって基体上の塗布領域を部分的に加熱させ、その加熱領域（部分）が塗布領域上において経時的に変更するように、ステージを移動させている。これによって、被染色物に移る加熱温度を抑制し、昇華した昇華性染料が好適に被染色物に蒸着されるようにしている。
次に、昇華性染料がつけられた被染色物１０をオーブン２００内の載置台３０上に置き、所定温度、所定時間で被染色物を加熱して染料を被染色物に定着させ、染色を行う。
以上の実施形態では、加熱用のレーザ光を被染色物を透過させて下方に置かれている基体に照射するものとしているが、これに限るものではない。被染色物の幅が狭いものであれば透過させることなく、レーザ光を斜め方向から基体に斜入射させて昇華性染料を加熱することも可能である。
また、大気中にて基体が上、被染色物が下の条件にて昇華性染料を被染色物に蒸着させ、その後定着させる例を図３に示し、第２の実施形態として説明する。なお、上述した第１の実施形態と同機能を有する部材には同じ番号を付し詳細な説明は割愛する。
図示するように、基体１はステージ２２の上面に載置された被染色物１１の上方にて所定間隔をあけた状態で図示なき保持部材によって固定保持されている。なお、保持部材はステージ２２に取り付けられているため、ステージ２２の前後左右方向の移動に伴って基体１及び被染色物１１が同時に移動することとなる。また、塗布領域１ａは被染色物１１の染色予定面に対向されており、レーザ光は基体１の裏面（塗布領域１ａの面と反対側の面）に照射される。基体１は第１の実施形態と同様の媒体が使用可能であるが、好ましくは基体１の裏面は黒色等の熱を吸収しやすい色にて形成されていることが好ましい。また、レーザ光源２０は、基体１の裏面に集光し加熱するために赤外域の波長のレーザ光を出射する光源である。また被染色物１１はレーザ光を透過させる必要がないため、透明樹脂ではなく、色付きの樹脂や繊維等を用いることができる。被染色物１１に昇華性染料を蒸着した後は、上述したように加熱手段（オーブン２００）を用いて染料の定着作業を行う。このように、第２の実施形態によれば、直接基体にレーザ光を照射することができるため、被染色物が透明である必要がなく、被染色物の選択を増やすことができる。
なお、上述した実施形態では、基体上に形成された塗布領域を加熱することにより昇華性染料を昇華させ、基体と被染色物とをレーザ光に対して移動させるものとしているが、これに限るものではない。被染色物の染色予定領域に対して昇華性染料の蒸着が部分的となるようにするとともに、染料が蒸着する部分的な領域を経時的に変更するようにできればよい。より具体的には、例えば、昇華性染料をペレット状にしておき、レーザ光やその他の加熱手段（接触加熱でもよい）を用いてペレットを加熱して染料を昇華させる。その際、ペレットから昇華する染料の昇華領域が染色予定領域よりも小さくなるように、ペレットの大きさや、ペレットと被染色物との距離等を定め、被染色物の染色予定領域に部分的に蒸着させるようにする。そして、被染色物を染料の昇華領域（昇華位置）に対して相対的に移動させるようにする。このようにすれば、被染色物への加熱温度の移動が限定的となり、昇華した染料が被染色物に好適に蒸着される。
次に具体的な実施例について説明する。
＜実施例１＞
１．テスト条件
（１） 上述した第１の実施形態で使用した染色システムを用いて、大気中にてポリカーボネイト板（50mm×50ｍｍ×2mm）の染色を行った。基体を作成するためのプリンターはEPSON MJ-8000C、インクは赤色の昇華性染料を含むニデック製 TTS INK RED NK-1を用いて印刷用紙に赤色の塗布領域を形成し基体を得た。
（２） 基体とポリカーボネイト板との間隔は０．８ｍｍ、レーザ光照射中のステージの移動速度を１ｍｍ／ｓとし、レーザ光源として日亜化学工業製NDV7113E（波長405nm）を用いて出力0.1Wにて基体上にレーザ光を照射した。レーザ光照射中、ポリカーボネイト板の染色予定領域全体に昇華性染料が蒸着するようにステージの移動制御を行った。
（３） 昇華性染料が蒸着したポリカーボネイト板をオーブン（ヤマト科学製DKN612）内に入れ、１３０℃、１時間の加熱条件にて定着作業を行い、染色を完了した。
１．テスト条件
（１） 上述した第１の実施形態で使用した染色システムを用いて、大気中にてポリカーボネイト板（50mm×50ｍｍ×2mm）の染色を行った。基体を作成するためのプリンターはEPSON MJ-8000C、インクは赤色の昇華性染料を含むニデック製 TTS INK RED NK-1を用いて印刷用紙に赤色の塗布領域を形成し基体を得た。
（２） 基体とポリカーボネイト板との間隔は０．８ｍｍ、レーザ光照射中のステージの移動速度を１ｍｍ／ｓとし、レーザ光源として日亜化学工業製NDV7113E（波長405nm）を用いて出力0.1Wにて基体上にレーザ光を照射した。レーザ光照射中、ポリカーボネイト板の染色予定領域全体に昇華性染料が蒸着するようにステージの移動制御を行った。
（３） 昇華性染料が蒸着したポリカーボネイト板をオーブン（ヤマト科学製DKN612）内に入れ、１３０℃、１時間の加熱条件にて定着作業を行い、染色を完了した。
２．結果
染色後のポリカーボネイト板目視にて確認し、板表面のダメージもなく所望する色濃度にて染色されていることが確認された。
染色後のポリカーボネイト板目視にて確認し、板表面のダメージもなく所望する色濃度にて染色されていることが確認された。
＜実施例２＞
１．テスト条件
（１） 実施例１と同様の条件にて赤色の塗布領域を持つ基体を得た。
（２） 基体とポリカーボネイト板との間隔は１ｍｍ、レーザ光照射中のステージの移動速度を６ｍｍ／ｓとし、レーザ光源としてイエナオプティクス社製TOLD-45-CPXF1-K（波長808nm）を用いて出力2.5Wにて基体上にレーザ光を照射した。実施例１と同様にレーザ光照射中、ポリカーボネイト板の染色予定領域全体に昇華性染料が蒸着するようにステージの移動制御を行った。
（３） 昇華性染料が蒸着したポリカーボネイト板をオーブン（ヤマト科学製DKN612）内に入れ、１３０℃、１時間の加熱条件にて定着作業を行い、染色を完了した。
１．テスト条件
（１） 実施例１と同様の条件にて赤色の塗布領域を持つ基体を得た。
（２） 基体とポリカーボネイト板との間隔は１ｍｍ、レーザ光照射中のステージの移動速度を６ｍｍ／ｓとし、レーザ光源としてイエナオプティクス社製TOLD-45-CPXF1-K（波長808nm）を用いて出力2.5Wにて基体上にレーザ光を照射した。実施例１と同様にレーザ光照射中、ポリカーボネイト板の染色予定領域全体に昇華性染料が蒸着するようにステージの移動制御を行った。
（３） 昇華性染料が蒸着したポリカーボネイト板をオーブン（ヤマト科学製DKN612）内に入れ、１３０℃、１時間の加熱条件にて定着作業を行い、染色を完了した。
２．結果
染色後のポリカーボネイト板目視にて確認し、板表面のダメージもなく所望する色濃度にて染色されていることが確認された。
染色後のポリカーボネイト板目視にて確認し、板表面のダメージもなく所望する色濃度にて染色されていることが確認された。
＜実施例３＞
１．テスト条件
（１） 実施例１と同様の条件にて赤色の塗布領域を持つ基体を得た。
（２） 基体とポリカーボネイト板との間隔は３ｍｍ、ステージの移動速度を６ｍｍ／ｓとし、レーザ光源としてイエナオプティクス社製TOLD-45-CPXF1-K（波長808nm）を用いて出力５Wにて基体上にレーザ光を照射した。実施例１と同様にレーザ光照射中、ポリカーボネイト板の染色予定領域全体に昇華性染料が蒸着するようにステージの移動制御を行った。
（３） 昇華性染料が蒸着したポリカーボネイト板をオーブン（ヤマト科学製DKN612）内に入れ、１３０℃、１時間の加熱条件にて定着作業を行い、染色を完了した。
１．テスト条件
（１） 実施例１と同様の条件にて赤色の塗布領域を持つ基体を得た。
（２） 基体とポリカーボネイト板との間隔は３ｍｍ、ステージの移動速度を６ｍｍ／ｓとし、レーザ光源としてイエナオプティクス社製TOLD-45-CPXF1-K（波長808nm）を用いて出力５Wにて基体上にレーザ光を照射した。実施例１と同様にレーザ光照射中、ポリカーボネイト板の染色予定領域全体に昇華性染料が蒸着するようにステージの移動制御を行った。
（３） 昇華性染料が蒸着したポリカーボネイト板をオーブン（ヤマト科学製DKN612）内に入れ、１３０℃、１時間の加熱条件にて定着作業を行い、染色を完了した。
２．結果
染色後のポリカーボネイト板目視にて確認し、板表面のダメージもなく所望する色濃度にて染色されていることが確認された。
染色後のポリカーボネイト板目視にて確認し、板表面のダメージもなく所望する色濃度にて染色されていることが確認された。
１ 基体
１ａ 塗布領域
１０ 被染色物
２０ レーザ光源
２２ ステージ
２４ コントロール部
１００ 気相転写機
２００ オーブン
１ａ 塗布領域
１０ 被染色物
２０ レーザ光源
２２ ステージ
２４ コントロール部
１００ 気相転写機
２００ オーブン
Claims (2)
- 大気圧下において昇華性染料と被染色物との間隔を０．１ｍｍ以上１０ｍｍ以下の間隔で離した状態で対向させ前記昇華性染料を加熱して前記被染色物に向けて昇華させるステップであって，前記被染色物の染色予定領域に対して前記昇華性染料の蒸着が部分的となるように定めるとともに前記昇華性染料が蒸着される前記部分的な領域が前記染色予定領域において経時的に変更するように前記染色予定領域における前記昇華性染料の昇華位置を相対的に移動させて前記染色予定領域に前記昇華性染料を付ける第１ステップと、
第１ステップにて前記昇華性染料が付けられた被染色物の一部の領域に対して染料定着用のレーザ光を走査して加熱することによって，前記一部の領域上に付けられた前記昇華性染料のみを前記被染色物に定着させて染色を行うことにより記号、文字、デザイン等からなる部分的な定着領域を前記被染色物に形成する第２ステップと、
を有することを特徴とする染色方法。 - 請求項１の染色方法において、前記第１ステップでは前記昇華性染料が塗布された基体の塗布面を染料昇華用のレーザ光により加熱することにより前記昇華性染料を前記被染色物に対して昇華させることを特徴とする染色方法。
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