特許 7606188 生地の表面加工方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-12-17

(45)【発行日】2024-12-25

(54)【発明の名称】生地の表面加工方法

(51)【国際特許分類】

   D06M 10/00 20060101AFI20241218BHJP

   D06C 23/00 20060101ALI20241218BHJP

   D02J 13/00 20060101ALI20241218BHJP

   B23K 26/00 20140101ALN20241218BHJP

【ＦＩ】

D06M10/00 K

D06C23/00

D02J13/00 D

B23K26/00 A

B23K26/00 G

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2021001952

(22)【出願日】2021-01-08

(65)【公開番号】P2022107177

(43)【公開日】2022-07-21

【審査請求日】2023-11-10

(73)【特許権者】

【識別番号】504180239

【氏名又は名称】国立大学法人信州大学

(73)【特許権者】

【識別番号】594137960

【氏名又は名称】株式会社ゴールドウイン

(74)【代理人】

【識別番号】100099759

【弁理士】

【氏名又は名称】青木 篤

(74)【代理人】

【識別番号】100123582

【弁理士】

【氏名又は名称】三橋 真二

(74)【代理人】

【識別番号】100139022

【弁理士】

【氏名又は名称】小野田 浩之

(74)【代理人】

【識別番号】100192463

【弁理士】

【氏名又は名称】奥野 剛規

(74)【代理人】

【識別番号】100169328

【弁理士】

【氏名又は名称】藤本 健治

(72)【発明者】

【氏名】山口 昌樹

(72)【発明者】

【氏名】近藤 祐平

(72)【発明者】

【氏名】藤澤 知大

【審査官】緒形 友美

(56)【参考文献】

【文献】特表平０８－５０８２０７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭６４－０４０６６４（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１６／１５１７７６（ＷＯ，Ａ１）

【文献】米国特許第０５５２９８１３（ＵＳ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｄ０６Ｍ １０／００ ー １０／０４

Ｄ０６Ｃ ２３／００ － ２３／０４

Ｄ０２Ｊ １３／００

Ｂ２３Ｋ ２６／００ － ２６／７０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

繊維束で構成され厚さを有する生地の表面を、短パルスレーザーを用いて加工する、生地の表面加工方法であって、
前記生地における前記表面の凹凸の大きさが、前記短パルスレーザーの焦点深度の範囲内となるように、前記焦点深度を調整する調整工程を備え、
前記生地の表面に前記加工で形成される構造は、周期的な微細構造であり、
周期的に形成された凸部分と、
前記凸部分の周期よりも小さい周期で、前記凸部分の表面に周期的に形成された小凸部分及び小凹部分と、
を含む、
生地の表面加工方法。

【請求項2】

前記生地の表面に前記加工で形成される凹構造、凸構造又は凹凸構造は、マイクロメートル領域以下の微細構造である、
請求項１に記載の生地の表面加工方法。

【請求項3】

前記加工の少なくとも一部は、前記短パルスレーザーのレーザー光を用いた波干渉法で行われ、
前記干渉法は、同一焦点に集光された少なくとも二本以上のレーザー光を用いた多光束干渉法、又は、表面波干渉法である、
請求項１又は２に記載の生地の表面加工方法。

【請求項4】

前記短パルスレーザーのレーザー光のパルスの間隔は、ソフト的、電子回路的、または、機械的に広げられている、
請求項１乃至３のいずれか一項に記載の生地の表面加工方法。

【請求項5】

前記短パルスレーザーのレーザー光の前記生地の表面に対する角度は垂直である、
請求項１乃至４のいずれか一項に記載の生地の表面加工方法。

【請求項6】

前記微細構造は前記生地を構成する繊維に、前記繊維の長手方向に沿って形成される、
請求項１乃至５のいずれか一項に記載の生地の表面加工方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、生地の表面加工方法に関する。

【背景技術】

【0002】

生地の表面を加工して所望の特性を付与する加工技術が知られている。例えば、生地や生地を構成する繊維の表面を加工して撥水性や親水性を付与する場合には、生地や繊維の表面に対して撥水加工や親水加工が実施される。撥水加工や親水加工としては、生地や繊維の表面を撥水性や親水性の薬剤で被覆する化学的な方法が知られている。ただし、生地や繊維の表面を薬剤で被覆する方法では、被覆された薬剤が摩耗したり、劣化して剥がれたりするおそれがある。また、薬剤の種類によっては、環境へ悪影響を及ぼすおそれがある。

【0003】

他の加工技術としては、生地や繊維の表面を物理的に加工する方法がある。例えば、特許文献１（特開２０２０－６６８２４号公報）に、繊維表面に周期構造を形成する方法が開示されている。この方法は、超短パルスレーザーを、繊維の長手方向に相対移動させつつ該繊維の表面に照射してパーカッション加工を行うことで、繊維表面に周期構造を形成する。特許文献１によれば、この周期構造の種類により、例えば、超撥水性を有する繊維を提供でき、あるいは、超親水性を有する繊維を提供できる、とされている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２０２０－６６８２４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

特許文献１の方法は、一本の繊維の表面を超短パルスレーザーで加工する技術である。その繊維の表面は、細かい凹凸を有しているが、レーザーの焦点を合わせるという観点では、概ね平坦といえる。そのため、レーザーの焦点を加工対象の繊維の表面に合わせて、繊維の表面を所望の周期構造に加工できる。

【0006】

しかし、その方法を、生地の表面の加工に適用しようとすると、適切な加工が困難になるおそれがある。その理由は、以下のとおりである。生地は、直径が概ね１～１００μｍ程度の単繊維を束ねたり撚ったりして形成されているため、生地は厚さを持ち、その表面は１～１０００μｍ程度の厚さ方向の凹凸を有する。つまり、繊維自体の表面が概ね平坦であっても、生地の表面は必ずしも平坦とはいえない。例えば、生地の表側に露出した複数の繊維の一部は、表面に揃って並んでいるが、他の一部は、生地の表面から厚さ方向に深い位置に存在している。すなわち、生地の表側に露出した複数の繊維には、生地における厚さ方向の浅い側（表面又は表面に近い側）に位置する繊維に加えて、生地における厚さ方向の深い側（表面から遠い側）に位置する繊維も存在する。

【0007】

一方で、レーザー加工に用いられるレーザー光の焦点深度は、１０～数百μｍ程度である。つまり、生地の表面の凹凸と焦点深度とが厚さ方向に近い寸法領域にあることが、生地をその面内方向や厚さ方向、すなわち三次元領域で均一に加工することを困難にしている。レーザー光のパルスエネルギー（Ｊ）を、レーザーの照射面積（ｃｍ^２）で除した値をフルエンスＦ（Ｊ／ｃｍ^２）と言い、レーザー加工においては、加工に必要なアブレーションを発生させるためにある一定以上のフルエンスが必要となる。よって、レーザーの焦点を厚さ方向の浅い側に位置する繊維に合わせると、厚さ方向の深い側に位置する繊維へのフルエンスが不十分になり、深い側に位置する繊維の加工が困難になる。一方、レーザーの焦点を深い側に位置する繊維に合わせると、浅い側に位置する繊維へのフルエンスが不十分になり、浅い側に位置する繊維の加工が困難になる。その結果、生地の表面の加工にむらが生じるなど、三次元領域に適切な表面加工を行うことが困難になるおそれがある。

【0008】

本発明の目的は、レーザーを用いて生地に適切な表面加工を施して、所望の特性を有する生地を形成することが可能な表面加工方法を提供することにある。

【0009】

本発明の生地の表面加工方法の構成は以下のとおりである。
（１）繊維束で構成され厚さを有する生地の表面を、短パルスレーザーを用いて加工する、生地の表面加工方法であって、前記生地における前記表面の凹凸の大きさが、前記短パルスレーザーの焦点深度の範囲内となるように、前記焦点深度を調整する調整工程を備える生地の表面加工方法。

【0010】

本生地の表面加工方法では、調整工程において、短パルスレーザーの焦点深度の範囲内に、生地における表面の凹凸の大きさが入るように、焦点深度を調整する。具体的には、例えば、生地における表面の凹凸の大きさが大きい場合には、その表面の凹凸の大きさが含まれるように、焦点深度の範囲を拡げる調整を行う。すなわち、焦点深度を、生地の表面の凹凸に近い寸法領域に設定するのではなく、生地における加工すべき厚さ方向の深さ（生地の表面の凹凸よりも深い）と同等かそれよりも広い寸法領域に設定する。それにより、調整工程の後において、短パルスレーザーのレーザー光で、生地における加工すべき厚さ方向の深さまで繊維の表面を加工することができる。それにより、生地の表面が平坦とはいえない状態であっても、焦点深度内に位置している生地を適切に表面加工することができる。このとき、例えば、レーザー光や、多光束のレーザー光の干渉（多光束干渉）や、レーザー光が生地の表面で乱反射した光とレーザー光との干渉（表面波干渉）などにより、繊維の表面に微細な構造を付与することができる。その微細な構造の特徴により、繊維だけでなく、繊維で構成された生地においても、撥水性や親水性や防汚性をはじめとした、各種機能を発現することができる。

【0011】

（２）前記生地の表面に前記加工で形成される凹構造、凸構造又は凹凸構造は、マイクロメートル領域以下の微細構造である、上記（１）に記載の生地の表面加工方法。

【0012】

本生地の表面加工方法では、生地の表面に加工で形成される凹構造、凸構造又は凹凸構造は、マイクロメートル領域以下の微細構造である。ここで、マイクロメートル領域とは、一辺が１０μｍの正方形の領域である。したがって、微細構造における一つ一つの凸部又は凹部は、一辺が１０μｍの正方形の領域に収まる大きさを有している。このような、微細構造により、繊維だけでなく、繊維で構成された生地においても、撥水性や親水性や防汚性をはじめとした、各種機能をより発現することができる。

【0013】

（３）前記加工の少なくとも一部は、前記短パルスレーザーのレーザー光を用いた干渉法で行われ、前記干渉法は、同一焦点に集光された少なくとも二本以上のレーザー光を用いた多光束干渉法、又は、表面波干渉法である、上記（１）又は（２）に記載の生地の表面加工方法。

【0014】

本生地の表面加工方法では、加工の少なくとも一部は、短パルスレーザーから出力されたレーザー光の干渉を用いる干渉法で行われる。干渉法は、多光束干渉法、又は、表面波干渉法である。それにより、干渉法で加工された領域では、レーザー光の範囲における生地の表面を微細な構造に加工することができ、繊維だけでなく、繊維で構成された生地においても、各種機能をより発現することができる。

【0015】

（４）前記生地の表面に前記加工される構造は周期的な微細構造であり、周期的に形成された凸部分と、前記凸部分の周期よりも小さい周期で、前記凸部分の表面に周期的に形成された小凸部分及び小凹部分と、を含む、上記（１）乃至（３）のいずれか一項に記載の生地の表面加工方法。

【0016】

本生地の表面加工方法では、生地の表面に形成される構造は周期的な微細構造であり、周期的に形成された凸部分と、凸部分の周期よりも小さい周期で、凸部分の表面に形成された小凸部分及び小凹部分と、を含んでいる。すなわち、周期的な微細構造が、二つの周期構造を有している。その微細構造の特徴により、繊維だけでなく、繊維で構成された生地においても、各種機能、特に、撥水性を発現することができる。

【0017】

（５）前記短パルスレーザーのレーザー光のパルスの間隔は、ソフト的、電子回路的、または、機械的に、広げられている、上記（１）乃至（４）のいずれか一項に記載の生地の表面加工方法。

【0018】

本生地の表面加工方法では、短パルスレーザーのレーザー光のパルスの間隔は、ソフト的、電子回路的、または、機械的に、広げられている。このように、レーザー光のパルスの間隔を広げて、加工中にレーザー光により生地（繊維）で蓄熱した熱を放熱するための時間を設けることで、生地（繊維）の溶融を抑制しつつ、生地の表面をより適切に加工することが出来る。言い換えると、熱を蓄熱し易い生地（繊維）に対しても、生地（繊維）の溶融を抑制しつつ、生地の表面をより適切に加工するこができる。

【発明の効果】

【0019】

本発明により、レーザーを用いて生地に適切な表面加工を施して、所望の特性を有する生地を形成することが可能な表面加工方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0020】

【図1】実施形態に係る生地の表面加工方法に用いる加工装置の構成例を示すブロック図である。

【図2】表面加工方法におけるレーザー光の照射パターンを示す模式図である。

【図3】表面加工方法における焦点深度と生地との関係を示す模式図である。

【図4】従来の表面加工方法における焦点深度と生地との関係を示す模式図である。

【図5】表面加工方法における表面波干渉加工の原理を示す模式図である。

【図6】表面加工方法における２光束干渉の原理を示す模式図である。

【図7】表面加工方法における多光束干渉加工に用いる加工装置の構成例を示すブロック図である。

【図8】表面加工方法における布の連続加工方法を示す模式図である。

【図9】１光束のパルス加工における生地の表面状態の観察結果を示す表である。

【図10】１光束のパルス加工における黒生地の表面状態のＳＥＭ観察結果を示す表である。

【図11】１光束のパルス加工における黒生地の接触角と表面状態との関係を示す表である。

【図12】多光束干渉加工における生地の表面状態の観察結果を示す表である。

【図13】多光束干渉加工に用いた生地の加工前の表面状態を示す図である。

【図14】多光束干渉加工による接触角の経時的変化を示す表である。

【発明を実施するための形態】

【0021】

以下、実施形態に係る生地の表面加工方法について、図面を参照して説明する。本表面加工方法は、繊維束で構成され厚さを有する生地の表面を、短パルスレーザーを用いて三次元領域を表面加工する方法である。ただし、本発明は、下記の実施形態に制限されることはなく、本発明の目的、趣旨を逸脱しない範囲内において、適宜他の技術との組み合わせや代替、変更等が可能である。

【0022】

まず、実施形態に係る生地の表面加工方法に用いる加工装置の構成例につて説明する。図１は、表面加工方法に用いる加工装置の構成例を示すブロック図である。その加工装置は、レーザー本体１ａ、光学系２、及び焦点深度調整部３を含むレーザー１と、加工テーブル５と、制御装置６と、を備えている。

【0023】

レーザー本体１ａは、短パルスのレーザー光ＬＢを照射可能なレーザー発振器である。レーザー本体１ａの種類としては、特に制限はなく、例えば、炭酸ガスレーザーやエキシマレーザーのような気体レーザー、Ｙｂ：ＹＡＧレーザーやＹｂ：ＫＧＷレーザーやＹｂ：ＫＹＷレーザーやＴｉ：Ａｌ_２Ｏ_３（サファイア）レーザーのような固体レーザー、半導体レーザー、及びファイバーレーザーが挙げられる。本実施形態では、レーザー本体１ａは、Ｙｂ：ＫＧＷレーザーである。

【0024】

レーザー光ＬＢ（短パルス）のパルス幅としては、非熱加工（アブレーション加工）のし易さの観点から、例えば、１フェムト秒以上、１０００ピコ秒未満が挙げられ、１０フェムト秒以上、１０００フェムト秒未満が好ましく、１００フェムト秒以上、５００フェムト秒以下がより好ましい。パルス幅が長過ぎると、生地が熱加工（光熱加工）され易く、非熱加工（アブレーション加工）し難くなる。パルス幅が短過ぎると、生地の加工そのものが難くなる。本実施形態では、レーザー光ＬＢのパルス幅は、１００フェムト秒以上、５００フェムト秒未満である。

【0025】

レーザー光ＬＢの波長としては、例えば、赤外線領域、可視光領域、及び紫外線領域が挙げられ、可視光領域及び紫外線領域が好ましい。レーザー光ＬＢの波長を、可視光領域又は紫外線領域とすることで、レーザー光ＬＢのエネルギーを、生地を構成する繊維に吸収され易くすることができる。それにより、レーザー光ＬＢで、生地の繊維に、より安定的に加工を施すことができる。本実施形態では、レーザー光ＬＢの波長は、可視光領域の５１５ｎｍ（グリーン）である。

【0026】

レーザー光ＬＢのその他の条件は、生地の加工内容に対応して適宜選択することが可能である。本実施形態では、各条件は以下のとおりである。
平均パワー（Ｐａｖ）：０．１～５Ｗ
繰り返し周波数（ｆ）：１～６０ｋＨｚ
スポット径（ｄ）：１～５０μｍ
１ｓｈｏｔパルスエネルギー（Ｅ）：０．０１～５０μＪ／ｓｈｏｔ
ピーク出力（Ｐｐ）：０．１～２００ＭＷ
フルエンス（Ｆ）：０．１～５０Ｊ／ｃｍ^２
強度（Ｉ）：１．０×１０^１１～５×１０^１５Ｗ／ｃｍ^２

【0027】

光学系２は、レーザー本体１から照射されたレーザー光ＬＢを、焦点深度調整部３へ導く光路を形成している。光学系２としては、特に制限はなく、例えば、ミラー、ハーフミラー、ビームスプリッタ、回析格子、エキスパンダ、コリメータ、など公知の機器又はそれらの組み合わせが挙げられる（図では一個のミラーの例を示す）。また、レーザー光ＬＢのパルスの間隔をソフト的、電子回路的、または、機械的に広げる装置（パルスピッキング装置）を含んでいてもよい。

【0028】

焦点深度調整部３は、レーザー１の焦点深度を調整する。レーザー１の焦点深度を調整する手段としては特に制限はない。ここで、理論焦点深度Ｚは、下記の式で算出される。
Ｚ＝｛２π・（ｄ／２）^２｝／（Ｍ^２・λ） …（Ａ）
ｄ＝４Ｍ^２・λ・ｆ／π・Ｄ・(ｅｘｐ) …（Ｂ）
ただし、各パラメータの意味は以下のとおりである。
ｄ：レーザー光ＬＢのスポット径
Ｍ^２：ビーム品質
λ：レーザー光ＬＢの波長
ｆ：対物レンズ４の焦点距離
Ｄ：集光前のレーザー光ＬＢの径
ｅｘｐ：１
本実施形態では、レーザー光ＬＢの波長λを一定として、焦点深度調整部３において、生地Ｐの表面の凹凸に基づいて、対物レンズ（集光レンズ）４の交換により、レーザー１の焦点深度を深く、又は浅く変更する。

【0029】

加工テーブル５は、加工対象の生地Ｐが載置され、固定されるテーブルであり、例えば、公知のＸ－Ｙテーブルが挙げられる。加工テーブル５は、生地Ｐの加工時に、レーザー光ＬＢが生地Ｐにおける所望の位置を照射するように、移動される。ただし、生地Ｐの加工時に、レーザー光ＬＢが生地Ｐにおける所望の位置を照射するようにするためには、レーザースキャンシステムを含む光学系２により、レーザー光ＬＢの照射方向を移動（掃引）させてもよい。

【0030】

制御装置６は、少なくともレーザー本体１、光学系（の機器）２、焦点深度調整部３、及び加工テーブル５と有線及び／又は無線（図示されず）で接続されている。制御装置６は、レーザー本体１、光学系２、焦点深度調整部３、及び加工テーブル５の動作を制御して、レーザー光線を用いた生地の表面加工を実行する。制御装置６はコンピュータやタブレット端末やスマートフォンに例示される情報処理装置である。制御装置６は、制御装置６にインストールされたコンピュータプログラムを実行して、制御装置６に複数の機能をそれぞれ実現させる。その複数の機能は、レーザー本体１、光学系２、焦点深度調整部３、及び加工テーブル５などを制御する機能を含んでいる。なお、焦点深度調整部３が制御装置６に接続されず、別の手段（例示：手動）で対物レンズ４の交換が行われてもよい。

【0031】

図２は、表面加工方法におけるレーザー光ＬＢの照射パターンを示す模式図である。図２（ａ）、図２（ｂ）の上側には、照射方向に対して垂直な、レーザー光ＬＢの照射パターンを示し、下側には、レーザー光ＬＢのエネルギー分布（縦軸：エネルギーＩ、横軸：時間ｔ）を示している。図２（ｃ）は、実際に生地Ｐの加工に使用される照射パターンの一例を示している。

【0032】

スポット径ｄのレーザー光ＬＢを生地Ｐに照射する場合、一発のレーザー光ＬＢにより生地Ｐ上には円形の照射パターンが形成される。その時のレーザー光ＬＢのエネルギー分布は、レーザー光ＬＢで形成される円の中心が最もエネルギーが高く、円の縁に向って減少する曲線状になる。したがって、レーザー光ＬＢの照射パターンを互いに重ならないようにすると（図２（ａ））、隣り合う照射パターン同士が接する領域では、レーザー光ＬＢのエネルギーが極めて少なくなり、生地Ｐの加工が十分でない領域が生じ得る。そこで、レーザー光ＬＢを生地Ｐに照射する場合、レーザー光ＬＢの照射パターンを互いに重なるようにしている（図２（ｂ））。その重なりの度合い、すなわち、スポット径ｄに対する隣り合う円の直径の重なる長さτの比をオーバーラップ率とする。したがって、オーバーラップ率＝τ／ｄ（％）である。図２（ａ）の例では、隣り合う円の直径が重ならないので、オーバーラップ率は０％である。図２（ｂ）の例では、隣り合う円の直径が５０％重なるので、オーバーラップ率は５０％である。

【0033】

実際に生地Ｐの加工に使用される照射パターンでは、レーザー光ＬＢが生地Ｐの面内方向、すなわちｘｙ方向に照射される。したがって、ｘ方向のオーバーラップ率及びｙ方向のオーバーラップ率が存在する。図２（ｃ）の例では、ｘ方向では、隣り合う円の直径の重なる長さをτ_ｘとすると、オーバーラップ率τ_ｘ／ｄ（％）は４０％である。一方、ｙ方向では、隣り合う円の直径の重なる長さをτ_ｙとすると、オーバーラップ率τ_ｙ／ｄ（％）は５０％である。各オーバーラップ率は、生地の加工内容に対応して適宜変更可能である。

【0034】

次に、実施形態に係る生地の表面加工方法について説明する。本表面加工方法は、生地における表面の凹凸の大きさが、短パルスレーザーの焦点深度の範囲内となるように、焦点深度を調整する調整工程を備えている。そして、焦点深度の調整後に、生地の表面を、短パルスレーザーを用いて三次元領域を表面加工することで、生地の表面に所望の加工を行うことができる。

【0035】

焦点深度の調整は、レーザー光ＬＢの波長λ、対物レンズ４の焦点距離ｆ、及び集光前のレーザー光ＬＢの径Ｄの少なくとも一つを調整することにより、行うことができる。本実施形態では、図１の加工装置における焦点深度調整部３において、焦点距離ｆの異なる複数の対物レンズ（集光レンズ）から、生地Ｐの凹凸の大きさに基づいて、適切な焦点距離ｆを有する対物レンズ４が選択され、装着される。それにより、レーザー１の焦点深度を、レーザー光ＬＢで生地Ｐの表面を加工可能となる焦点深度にすることができる。

【0036】

図３は、表面加工方法における焦点深度と生地との関係を示す模式図であり、図４は従来の表面加工方法における焦点深度と生地との関係を示す模式図である。

【0037】

図４に示すように、生地Ｐの表面Ｓ１（生地Ｐにおける外側に露出した面）における厚さ方向の凹凸の大きさはＤ０程度である。つまり、繊維（繊維束の場合を含む）Ｑ自体の表面が概ね平坦であっても、繊維Ｑが織物や編物などに形成された生地Ｐの表面Ｓ１は繊維の必ずしも平坦とはいえない。そのため、従来の表面加工方法では、レーザーの焦点深度（スポット径ｄの範囲）Ｄ２が、生地Ｐの表面Ｓ１における厚さ方向の凹凸の大きさＤ０よりも小さい。それゆえ、従来の表面加工方法では、生地Ｐをその面内方向や厚さ方向、すなわち三次元領域で均一に加工することが困難になる。

【0038】

そこで、図３に示すように、本実施形態での生地Ｐの表面加工方法では、調整工程において、レーザー１の焦点深度（スポット径ｄの範囲）Ｄ１の範囲内に、生地Ｐの表面Ｓ１における厚さ方向の凹凸の大きさＤ０が入るように、焦点深度を調整している。具体的には、例えば、生地にＰおける表面Ｓ１の凹凸の大きさＤ０が大きい場合には、その表面Ｓ１の凹凸の大きさＤ０が含まれるように、焦点深度Ｄ１の範囲を拡げる調整を行う。すなわち、焦点深度Ｄ１を、生地Ｐの表面Ｓ１の凹凸に近い寸法領域に設定するのではなく、生地Ｐにおける加工すべき厚さ方向の深さ（生地Ｐの表面Ｓ１の凹凸よりも深い）と同等かそれよりも広い寸法領域に設定する。すなわち、生地Ｐの表面Ｓ１の凹凸を焦点深度内に収めるようにする。それにより、調整工程の後において、レーザー１のレーザー光ＬＢで、生地Ｐにおける加工すべき厚さ方向の深さまで、繊維Ｑの表面を加工することができる。したがって、生地Ｐの表面Ｓ１が平坦とはいえない状態でも、焦点深度内に位置している生地Ｐを適切に表面加工することができる。

【0039】

このとき、例えば、レーザー光ＬＢ、レーザー光ＬＢが生地Ｐの表面Ｓ１で散乱又は乱反射した光とレーザー光ＬＢとの干渉（表面波干渉）、又は、多光束のレーザー光ＬＢの干渉（多光束干渉）などにより、繊維Ｑの表面に微細な構造を付与することができる。その微細な構造の特徴により、繊維Ｑだけでなく、繊維Ｑで構成された生地Ｐにおいても、撥水性や親水性や防汚性をはじめとした、各種機能を発現することができる。

【0040】

本実施形態における生地の表面加工方法では、生地Ｐの表面Ｓ１に形成される凹構造、凸構造又は凹凸構造は、マイクロメートル領域以下の微細構造である。ここで、マイクロメートル領域とは、一辺が１０μｍの正方形の領域である。したがって、微細構造における一つ一つの凸部又は凹部は、一辺が１０μｍの正方形の領域に収まる大きさを有している。このような、微細構造により、繊維だけでなく、繊維で構成された生地においても、撥水性や親水性や防汚性をはじめとした、各種機能をより発現することができる。

【0041】

次に、表面波干渉について説明する。図５は、表面加工方法における表面波干渉加工の原理を示す模式図である。ただし、左側の図はレーザー１による生地Ｐの加工工程を示し、右側の図は加工工程後の生地Ｐの状態を示している。左側の図のグラフは、レーザー１が照射するレーザー光ＬＢに関する強度Ｉと時間ｔとの関係を示している。

【0042】

左側の図に示すように、レーザー１は、直線状の矢印で示す方向（ｙ方向）に所定の移動速度で移動しつつ、表面波干渉を起こさせるのに必要な所定の閾値Ｉ_０以上の強度を有するレーザー光ＬＢを生地Ｐに所定の間隔で照射する。具体的には、レーザー１は、手前側から奥側までの所定範囲をｙ方向に移動しつつ、所定のｙ方向オーバーラップ率となるようにレーザー光ＬＢを照射する（照射工程）。次いで、レーザー１は、所定のｘ方向オーバーラップ率となるようにｘ方向に所定距離だけ移動する（移動工程）。そして、これら照射工程及び移動工程を、生地Ｐにおける加工すべき領域をすべて加工するまで繰り返す。それにより、例えば、図２（ｃ）に示すような照射パターンで、生地Ｐにおける加工すべき領域が加工される。

【0043】

レーザー１は、照射工程において、更に、ｙ方向に移動しつつ、レーザー光ＬＢを楕円軌道で螺旋状に掃引する。ただし、楕円の幅は、ｘ方向にはスポット径程度の大きさとし、ｙ方向にはスポット径より小さい大きさとする。このとき、レーザー光ＬＢが生地Ｐの表面Ｓ１で散乱した散乱光と、レーザー光ＬＢと、が干渉し合うことで、すなわち、表面波干渉が生じることで、干渉縞が形成される。そして、レーザー光ＬＢを楕円軌道で掃引することで、隣り合うパルス状のレーザー光ＬＢによる、隣り合う干渉縞を互いに同期させることができる。それにより、干渉縞を表面Ｓ１に一様に生じさせることができ、生地Ｐの表面Ｓ１に周期的な微細構造を形成することができる。

【0044】

図示されるように、生地Ｐの表面Ｓ１には周期的な微細構造として、以下の構造が形成され得る。すなわち、周期的に形成された凹部分及び凸部分を有する凹凸部分Ｗ１と、凹凸部分Ｗ１の周期よりも小さい周期で、凸部分の表面に周期的に形成された、小凹部分及び小凸部分を有する小凹凸部分Ｗ２と、を備えた微細構造である。

【0045】

次に、多光束干渉について説明する。図６は、表面加工方法における２光束干渉の原理を示す模式図である。図６に示すように、レーザー本体１ａのレーザー光ＬＢは、ハーフミラー１１及びミラー１２ａ、１２ｂを備える光学系１０に入射し、ハーフミラー１１でレーザー光ＬＢａ、ＬＢｂに分割される。分割されたレーザー光ＬＢａ、ＬＢｂは、それぞれミラー１２ａ、１２ｂで反射され、生地Ｐの表面Ｓ１で互いに重なり合って干渉し、干渉縞が生じる。その干渉縞により、生地Ｐの表面Ｓ１に周期的な微細構造を形成することができる。なお、この場合、図示しないが、焦点深度調整部３は、例えば、レーザー光ＬＢａについてはミラー１２ａの後に、レーザー光ＬＢｂについてはミラー１２ｂの後にそれぞれ配置される。なお、多光束干渉、例えば、４光束干渉の場合には、上記のレーザー光ＬＢａ、ＬＢｂをそれぞれ更にハーフミラーで２分割し、４分割されたレーザー光を生地上で重ね合わせることで実現可能である。

【0046】

図７は、表面加工方法における多光束干渉加工に用いる加工装置の構成例を示すブロック図である。レーザー本体１ａから出力されたレーザー光ＬＢは、ガリレオ式エキスパンダ２１、偏光ビームスプリッタ２２、空間光位相変調器２３、コリメータ２４、及びケプラー式エキスパンダ２５を備える光学系２０を通り、マスク２６及び焦点深度調整部３（対物レンズ４）を介して、生地Ｐに照射される。なお、この加工装置を２光束干渉による表面加工方法に用いる場合、図６の光学系１０は、ケプラー式エキスパンダ２５と焦点深度調整部３（対物レンズ４）との間に配置される。

【0047】

この場合にも、生地Ｐの表面Ｓ１には周期的な微細構造として、周期的に形成された凹部分及び凸部分を有する凹凸部分と、凹凸部の周期よりも小さい周期で、凸部分の表面に周期的に形成された、小凹部分及び小凸部分を有する小凹凸部分と、を備えた微細構造を形成し得る。

【0048】

本実施形態における表面加工方法では、加工の少なくとも一部は、短パルスレーザーから出力されたレーザー光ＬＢの干渉を用いる干渉法で行われる。干渉法は、上記のような表面波干渉法又は多光束干渉法である。それにより、干渉法で加工された領域では、レーザー光ＬＢの範囲における生地Ｐの表面Ｓ１を周期的な微細構造に加工することができ、繊維Ｑだけでなく、繊維Ｑで構成された生地Ｐにおいても、各種機能をより発現することができる。

【0049】

ここで、本実施形態における表面加工方法では、生地Ｐの表面Ｓ１に形成される周期的な微細構造が、周期的に形成された凸部分と、凸部分の周期よりも小さい周期で、凸部分の表面に形成された小凸部分及び小凹部分と、を含んでいる。すなわち、周期的な微細構造が、二つの周期構造を有する。その微細構造の特徴により、繊維だけでなく、繊維で構成された生地においても、各種機能、特に、撥水性を発現することができる。

【0050】

また、本実施形態の表面加工方法では、レーザー１のレーザー光ＬＢのパルスの間隔は、ソフト的または電子回路的に広げることができる。レーザー光のパルスの間隔を広げることで、加工中にレーザー光ＬＢにより生地Ｐ（繊維Ｑ）に蓄熱した熱を放熱するための時間を設けることができる。それにより、生地Ｐ（繊維Ｑ）の溶融を抑制しつつ、生地Ｐの表面Ｓ１をより適切に加工することが出来る。言い換えると、熱を蓄熱し易い生地Ｐ（繊維Ｑ）に対しても、生地Ｐ（繊維Ｑ）の溶融を抑制しつつ、生地Ｐの表面Ｓ１をより適切に加工するこができる。

【0051】

上述された生地の表面加工方法では、衣服のような製品中に含まれる第１生地を、上記の調整工程の生地として準備してもよい。そして、その第１生地の表面に上記された表面加工を行ってもよい。すなわち、この生地の表面加工方法は、製品を製造した後の後加工としても適用できる。それにより、製品における任意の生地の表面に、後加工で、表面加工を施すことで、微細構造のような所望の構造を付与できる。したがって、製品に必要な各種機能を、製品の必要な部位に付与できる。

【0052】

図８は、表面加工方法における布の連続加工方法を示す模式図である。この図では、上記の図５のような表面加工方法を連続的な生地Ｐにおいて実施する方法を示している。この図の例では、加工テーブル５の替わりに、ロール３１及びロール３２を備える加工装置３０を用いている。この場合、レーザー光ＬＢは、レーザースキャンシステムを含む光学系２により、レーザー光ＬＢの照射方向が生地Ｐ上で掃引される。生地Ｐはロール３１及びロール３２の間に架け渡されており、ロール３１から連続的に送り出され、レーザー光ＬＢにより加工される。それにより、生地Ｐの表面Ｓ１に、周期的な微細構造Ｗが形成される。

【実施例】

【0053】

（１）１光束のパルス加工
図９は、１光束のパルス加工における生地の表面状態の観察結果（光学顕微鏡写真）を示す表である。この図は、図１及び図５に記載の加工装置を用いて表面加工を施された各生地の表面状態とフルエンスとの関係を示している。ただし、表面加工を試みた領域は二点鎖線で示されている。

【0054】

ただし、生地の特性は以下のとおりである。
生地の種類／材質／表面の凹凸：
白生地（ＴＮ）／ナイロン６６／約３０μｍ
赤生地（ＫＡ）／ナイロン６６／約４０μｍ
黒生地（Ｎ４５６－Ｐ）／ナイロン６／約３０μｍ
ただし、表面の凹凸はＳＥＭ観察により最大の凹凸を測定した。

【0055】

一方、レーザー１による加工条件は、以下のとおりである。
波長：５１５ｎｍ
平均パワー：０．３１６Ｗ
パルス幅：２３４ｆｓ
繰り返し周波数：１．２５～１２．５ｋＨｚ
スポット径：８μｍ
１ｓｈｏｔパルスエネルギー：０．０７～５．２７μＪ／ｓｈｏｔ
ピーク出力：０．３～２２．５ＭＷ
フルエンス：０．１～１０Ｊ／ｃｍ^２
強度：６．０×１０^１１～４．５×１０^１３Ｗ／ｃｍ^２
オーバーラップ率：５０％
レンズ仕様：焦点距離：ｆ４０
焦点深度：±９６．５μｍ

【0056】

図に示されるように、上記の条件では、生地の種類によらず、表面加工を試みた領域において、表面の凹凸にも拘わらず生地が表面加工されていることが確認された。また、フルエンスが上がるほど、生地の表面加工が進んでおり、表面状態が変化することが分かった。なお、焦点距離ｆ２０（焦点深度±５μｍ）のレンズを用いる場合、焦点深度が狭すぎて、焦点深度以外に位置する繊維表面の加工が困難になる。

【0057】

図１０は、１光束のパルス加工における黒生地の表面状態のＳＥＭ観察結果（ＳＥＭ写真）を示す表である。この図は、図９の黒生地について、拡大観察された表面状態とフルエンスとの関係を示している。

【0058】

図に示されるように、黒生地には、表面加工により、周期的な凹部分と凸部分とを備える微細構造が形成されることが確認された。また、フルエンスを上げることで、表面波干渉が発生し、黒生地の繊維の表面に、より細かな凹凸の微細構造が形成できることが確認された。また、図示しないが、白生地及び赤生地においても、黒生地と同様に、表面加工により、周期的な凹部分と凸部分とを備える微細構造が形成され、フルエンスを上げることで、白生地及び赤生地の繊維の表面に、より細かな凹凸の微細構造が形成出来ることが確認された。

【0059】

図１１は、１光束のパルス加工における黒生地のみかけの接触角と表面状態との関係を示す表である。この図は、図１０の黒生地について、みかけの接触角と表面状態との関係を示している。ただし、黒生地のフルエンス０．５Ｊ／ｃｍ^２の表面状態は、フルエンス０．２Ｊ／ｃｍ^２の表面状態と概ね同じである。

【0060】

図に示されるように、フルエンスが０．５Ｊ／ｃｍ^２で表面加工された黒生地では、未処理の黒生地と比較してみかけの接触角が大きくなっており（１１７°→１２５．２°）、したがって、撥水性が高まることが分かった（０．２Ｊ／ｃｍ^２でも同様）。一方、フルエンスが１Ｊ／ｃｍ^２で表面加工された黒生地では、未処理の黒生地と比較してみかけの接触角が小さくなっており（１１７°→１０６．２°）、したがって、親水性が高まることが分かった。

【0061】

これらのようになる理由は、フルエンスが０．５Ｊ／ｃｍ^２で表面加工された黒生地では、周期的な微細構造（凹凸構造）が作られたため、撥水性が向上したと考えられる。一方、フルエンスが１．０Ｊ／ｃｍ^２で表面加工された黒生地では、撥水性の向上に効果的な構造が形成されず、多数の溝や隙間ができ、水との接触面積が増えたため、親水性が高まったと考えられる。

【0062】

ただし、みかけの接触角は、以下の条件で測定した。
接触角計：全自動接触角計ＤＭ－７０１（協和界面科学株式会社製）
計測溶媒：蒸留水
液量：２μＬ
使用ゲージ：２８Ｇ、フッ素樹脂
解析法：接滴法
計測環境：２３℃、３０％ＲＨ
具体的には、接触角計において、測定対象の生地の上に蒸留水を２μＬ載置してみかけの接触角を測定した。測定点は生地上の５箇所とし、各測定点においてそれぞれ左右の接触角を計測し、合計１０個の測定結果を得て、その平均値を接触角とした。

【0063】

（２）多光束のパルス加工
図１２は、多光束干渉加工における生地の表面状態の観察結果（光学顕微鏡写真）を示す表である。この図は、図７及び図８に記載の加工装置を用いて２光束干渉加工及び４光束干渉加工を施された生地の表面状態をそれぞれ示している。図１３は、多光束干渉加工に用いた生地の表面加工前（未加工）の表面状態を示す図であり、光学顕微鏡写真を示している。

【0064】

ただし、生地の特性は以下のとおりである。
生地の種類／材質／表面の凹凸：
精錬布（Ｎ２２２）／ナイロン／約５０μｍ
ただし、表面の凹凸はＳＥＭ観察により最大の凹凸を測定した。

【0065】

一方、レーザー１による加工条件は、以下のとおりである。
波長：５１５ｎｍ
平均パワー：１．６８Ｗ（２光束）、１．７５Ｗ（４光束）
パルス幅：２９９ｆｓ
繰り返し周波数：１０ｋＨｚ×１／５０（パルスピッキング）＝２００Ｈｚ
スポット径：約１４０μｍ
１ｓｈｏｔパルスエネルギー：２９～３１μＪ／ｓｈｏｔ
ピーク出力：９７～１０４ＭＷ
フルエンス：０．１９～０．２０Ｊ／ｃｍ^２
強度：６．３×１０^１１～６．７×１０^１１Ｗ／ｃｍ^２
レンズ仕様：焦点距離：ｆ２０
焦点深度：±２５μｍ

【0066】

図に示されるように、上記の条件では、２光束及び４光束のいずれにおいても、表面加工を試みた領域において、表面の凹凸にも拘わらず生地が表面加工されていることが確認された。また、光束の数により、生地の表面に形成される周期的な微細構造における周期が変化することが分かった。具体的には、生地の表面状態は、表面加工前では滑らかだが（図１３）、２光束干渉加工後では、斜線のような黒線状の溝が干渉により形成され、４光束干渉加工後では、格子状に並ぶドットのような黒点状の凹部が干渉により形成されたことが分かった（図１２）。なお、図示しないが、焦点深度が上記の条件よりも小さい場合、表面加工ができなかった。具体的には、対物レンズ４のレンズ仕様が焦点距離ｆ１０、焦点深度±１１μｍでは表面加工ができなかった。

【0067】

また、図示しないが、レーザー光ＬＢのパルスを間引かずに生地の表面加工を行った場合、表面加工中に生地に熱が蓄積して、生地の表面が一部溶融してしまった。そこで、この実施例では、レーザー光ＬＢのパルスを間引いて表面加工を行うことで、図に示されるように生地の表面が溶融することを回避できた。

【0068】

図１４は、多光束干渉加工における接触角の経時的変化を示す表である。この図は、図１２及び図１３の未加工の生地並びに２光束干渉加工及び４光束干渉加工を施された生地について、みかけの接触角が時間と共にどのように変化するかを示している。ただし、接触角は、蒸留水を測定対象の生地の上に２μＬ載置し、着滴後１秒後に計測を開始し、２１秒後まで観察した。

【0069】

図に示されるように、多光束干渉加工により、未加工の生地と比較して接触角が著しく小さくなっており（１１４°→４６°、５２°：１秒後）、したがって、生地の親水性が著しく高まることが分かった。その理由は、多光束干渉加工により、生地の表面に、多数の溝や隙間ができ、水との接触面積が増えたため、親水性が高まったと考えられる。

【符号の説明】

【0070】

Ｑ 繊維束
Ｐ 生地
Ｓ１ 表面
Ｄ０ 表面の凹凸の大きさ
Ｄ１ 焦点深度

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】