(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
繊維と樹脂とが層状に複合化された光透過型複合材料から成る部材を有し、前記部材の内部にマークが形成された構造材であって、
前記部材の表面からの距離が異なる複数の離間した深さに、それぞれの深さに集光した超短パルスレーザのレーザ光が前記表面に沿う方向に相対移動して前記マークの一部分を構成するマーク部分が形成され、
前記複数の離間した深さに形成された複数の前記マーク部分には、前記部材の表面から見て、他の深さに形成された前記マーク部分と少なくとも一部が重なるマーク部分が含まれており、
前記複数の離間した深さに形成された前記マーク部分の全体で前記部材の内部の前記マークが形成されていることを特徴とする構造材。
【請求項２】
請求項１に記載の構造材であって、曲面形状を有する箇所に前記マークが形成されていることを特徴とする構造材。
【請求項３】
繊維と樹脂とが層状に複合化された光透過型複合材料の内部にマークを形成するマーキング方法であって、
前記光透過型複合材料の表面からの距離が異なる複数の離間した深さに、それぞれの深さに集光した超短パルスレーザのレーザ光を前記表面に沿う方向に相対移動させて前記マークの一部分を構成するマーク部分を形成し、
前記複数の離間した深さに形成する複数の前記マーク部分には、前記光透過型複合材料の表面から見て、他の深さに形成する前記マーク部分と少なくとも一部が重なるマーク部分を含め、
前記複数の離間した深さに形成した前記マーク部分の全体で前記光透過型複合材料の内部の前記マークを形成することを特徴とする光透過型複合材料のマーキング方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガラス繊維強化樹脂（ＧＦＲＰ）等の光透過型複合材料へのマーキング方法と、マークを付した光透過型複合材料から成る構造材に関し、材料の表面を傷つけずにマークが形成できるようにしたものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、レーザを用いて金属や樹脂の表面に刻印を形成するマーキング方法が知られており、ＣＯ2レーザやＹＶＯ4レーザを光源とするマーキング装置が市販されている。
また、下記特許文献１には、樹脂材質の眼用レンズにフェムト秒レーザのレーザ光を照射して、眼用レンズの内部にマークを形成する方法が開示されている。同文献には、厚さ１００μｍのコンタクトレンズの表面から１／３の深さ位置に白化したマークを形成した例が報告されている。
【０００３】
ところで、繊維と樹脂とを複合化した繊維強化樹脂（ＦＲＰ）は、軽くて機械的強度に優れているため、車や船、航空機などの構造材として広く利用されているが、このＦＲＰに対するマーキングは、市販のマーキング装置を用いて、表面に刻印を形成する方法が一般的に採られている。
【特許文献１】特開２００３−８４２４３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、構造材に使用されるＦＲＰは数ｍｍ以上の厚みを有しているが、その表面への刻印形成は、ＦＲＰ表面に傷や凹みのダメージ（外傷）を発生させるため、構造材の機械的強度の低下を招来する。また、ＦＲＰは、酸環境において損傷箇所から腐食劣化することが知られており、ＦＲＰ表面への刻印形成で発生する外傷が腐食劣化の原因となる可能性を有している。
また、刻印の凹みは、汚れが付着し易く、そのため、時間が経過すると、マークが不鮮明になり、且つ、美観が損なわれる、と言う欠点もある。
【０００５】
本発明は、こうした事情を考慮して創案したものであり、ＦＲＰの中で光を透過するＧＦＲＰ等の光透過型複合材料に対し、表面に傷を付けずにマークを形成することができるマーキング方法を提供し、また、その方法でマークが形成された構造材を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の構造材は、繊維と樹脂とが層状に複合化された光透過型複合材料から成る部材を有し、前記部材の内部にマークが形成された構造材であって、前記部材の表面からの距離が異なる複数の離間した深さに、それぞれの深さに集光した超短パルスレーザのレーザ光が前記表面に沿う方向に相対移動して前記マークの一部分を構成するマーク部分が形成され、前記複数の離間した深さに形成された複数の前記マーク部分には、前記部材の表面から見て、他の深さに形成された前記マーク部分と少なくとも一部が重なるマーク部分が含まれており、前記複数の離間した深さに形成された前記マーク部分の全体で前記部材の内部の前記マークが形成されていることを特徴とする。
この構成材は、光透過型複合材料の内部にのみマークが形成され、その表面には、レーザ走査に伴う外傷を持たない。
【０００７】
また、マーク部分を、深さを違えて形成することで、複雑な形状や濃淡の色合いを持つマークを形成できる。
また、本発明の構造材は、曲面形状を有する箇所に前記マークを持つことができる。
【０００８】
また、本発明の光透過型複合材料のマーキング方法は、繊維と樹脂とが層状に複合化された光透過型複合材料の内部にマークを形成するマーキング方法であって、前記光透過型複合材料の表面からの距離が異なる複数の離間した深さに、それぞれの深さに集光した超短パルスレーザのレーザ光を前記表面に沿う方向に相対移動させて前記マークの一部分を構成するマーク部分を形成し、前記複数の離間した深さに形成する複数の前記マーク部分には、前記光透過型複合材料の表面から見て、他の深さに形成する前記マーク部分と少なくとも一部が重なるマーク部分を含め、前記複数の離間した深さに形成した前記マーク部分の全体で前記光透過型複合材料の内部の前記マークを形成することを特徴とする。
この方法により、光透過型複合材料の表面に傷や凹みを付けずに、光透過型複合材料の内部にマークを形成することができる。
【０００９】
また、深さを違えて形成したマーク部分が重なることで、複雑な形状や濃淡の色合いを持つマークが形成できる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明では、ＧＦＲＰ等の光透過型複合材料に対し、表面に傷や凹みを付けずに、内部だけにマークを形成することができる。そのため、マーク付与に伴う構造材の外傷による機械的強度の低下や、マークの汚れが発生しない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明の実施形態について、図面を基に説明する。
図１は、本発明のマーキング方法で使用したフェムト秒レーザを示している。図２は、マーキング対象物のＧＦＲＰの断面図を模式的に示し、図３は、このＧＦＲＰにマークが形成される様子を模式的に示している。図４は、レーザ光のデフォーカス量とマーキングとの関係を示している。図５は、レーザ走査の軌跡を示している。図６は、マークの一部分を積み重ねて形成するグレースケールマークを示し、図７及び図８は、その実例を示している。また、図９は、ＧＦＲＰの曲面にマークを形成する場合を示している。
【００１３】
図１に示すように、フェムト秒レーザは、パルス幅２００ｆｓ（フェムト秒）のレーザ光を繰り返し出力するレーザ出力装置１０と、λ／２板１１と、入射光が同一光路を通って反射するのを防止するＧｌａｎレーザープリズム１２と、光量を調節するＮＤフィルタ１３と、シャッター１４と、ミラー１５、１６と、撮影用のＣＣＤカメラ１９と、カメラ位置に焦点を合わせる結像レンズ１８と、可視光のＢＲＧ成分を分岐するダイクロイックミラー１７と、レーザを集光する対物レンズ２０と、マーキング対象物であるＧＦＲＰ３０を載置した状態でＸ、Ｙ、Ｚ方向に移動できる自動３軸ステージ２１と、シャッター１４及び自動３軸ステージ２１を制御するコントローラ２２とを備えている。レーザ出力装置１０は、繰り返し周波数１ｋＨｚでレーザ光を繰り返し出力する。
フェムト秒レーザは、１パルスの照射時間が極めて短いため、レーザ集光位置以外に熱的影響を与えない加工（非熱加工）が可能である。また、フェムト秒レーザでは、非熱加工される照射方向の位置（即ち、焦点深度）をサブミクロン（１００００分の１ｍｍ）単位で制御することができる。
【００１４】
一方、マーキング対象物のＧＦＲＰ３０は、図２に示すように、縦方向のガラス繊維束３１と横方向のガラス繊維束３２とを組み合わせた複数の層がエポキシ樹脂等の樹脂部３３によって固定されている。ＧＦＲＰでは、エポキシ樹脂以外に、ポリアミド樹脂、フェノール樹脂等の熱硬化性樹脂や、メチルメタアクリレート等の熱可塑性樹脂も母材に使われている。
このＧＦＲＰ３０に対するマーキングは、図３に示すように、フェムト秒レーザのレーザ光２３をＧＦＲＰ３０の内部に集光させて行われ、マークの図柄、数値、文字等に沿ったビーム走査が、レーザ光２３とＧＦＲＰ３０との相対移動により実行される。
このとき、ＧＦＲＰ３０では、フェムト秒レーザの非熱加工で、レーザ光２３の集光点のみの樹脂部３３が変色し、ＧＦＲＰ３０の内部にマーク４０が形成される。
【００１５】
図４は、ＧＦＲＰ３０の表面からレーザ光の集光点までの距離（即ち、表面からの焦点の深さ）を変えてマーキングを実施したときのマークの状態を示している。ここでは、表面からの焦点の深さをデフォーカス量として表しており、ＧＦＲＰの表面に焦点がある時のデフォーカス量を０としている。
また、このマークは、図５に示すように、１ｍｍ×１ｍｍの範囲を１０μｍピッチで走査して形成した。また、このレーザ走査の速さは、１ｍｍ／ｓ、２ｍｍ／ｓ及び３ｍｍ／ｓに設定した。
【００１６】
図４の測定の結果、デフォーカス量０μｍ〜１００μｍまでは、ＧＦＲＰ表面にレーザ走査の傷跡が観察された。デフォーカス量１５０μｍ〜２００μｍでは、ＧＦＲＰの内部のみが色濃く変色し、良好なマーキングが可能であった。さらにデフォーカス量を大きくしていくと、変色は薄くなり４５０μｍでは掠れてしまった。
この測定結果から、デフォーカス量を１５０μｍ〜２００μｍの近傍に設定してレーザ走査を行えば、ＧＦＲＰ表面に外傷を発生させること無く、明確な認識が可能なマークを形成できることが分かる。
【００１７】
また、図４が示しているように、デフォーカス量を違えると、マークの色の濃さが違ってくる。この特性を利用して、図６に示すように、デフォーカス量を制御し、マークの一部分を構成するマーキングパート４１、４２、４３を、それぞれ、ＧＦＲＰ３０の表面からの深さが異なる位置に重ならないように設ければ、濃い色の部分と淡い色の部分とを備えたマーク（グレースケールマーク）を形成することができる。
【００１８】
図７は、図８に示すグレースケールマークを形成するためのマーキングパートの実例を示している。
このグレースケールマークは、次の加工条件で形成している。
レーザ出力      ：  ３ｍＷ
走査速度        ：  ３ｍｍ／ｓ
走査ピッチ      ：  １０μｍ
レンズ          ：  非球面レンズ（ｆ＝８ｍｍ、Ｎ．Ａ．＝０．５）
加工範囲        ：  １０ｍｍ×１５ｍｍ
図７（１）のマーキングパートは、デフォーカス量を１５０μｍに設定し、図７（２）のマーキングパートは、デフォーカス量を２００μｍに設定し、また、  図７（３）のマーキングパートは、デフォーカス量を２５０μｍに設定している。
これらのマーキングパートにより構成される図８のマークには、デフォーカス量の違いを利用した色の濃淡が現れている。このグレースケールマークを形成したＧＦＲＰ３０の表面には、レーザ走査の加工痕が存在していない。
【００１９】
また、図９は、曲面形状のＧＦＲＰ３０にマーキングを行うフェムト秒レーザの照射部を示している。フェムト秒レーザでは、ファイバからレーザ光を出力するファイバレーザが知られている（例えば、特開２００６−３２４６１３号公報参照）。この照射部は、ファイバレーザのファイバ２４の先端に取り付けられた対物レンズ２０を保持する対物レンズ保持機構２５を備えている。この対物レンズ保持機構２５は、ＧＦＲＰ３０の表面に接触して、対物レンズ２０とＧＦＲＰ３０との距離を一定に保持する。
そのため、対物レンズ２０で焦点距離が制御されたレーザ光は、ＧＦＲＰ３０の表面から一定の深さ位置に集光される。この対物レンズ保持機構２５をＧＦＲＰ３０の曲面に沿って移動させながら、レーザ照射を行うことにより、ＧＦＲＰ３０の表面から一定の深さ位置にマークを形成することができる。
【００２０】
このように、このマーキング方法は、ＧＦＲＰの表面に傷や凹みを付けずに、内部だけにマークを形成することができる。
ＧＦＲＰは、単独で、あるいは他の部材と組み合わされて、サンドイッチ構造やハニカム構造に成型され、車の車体や、船舶の船体、航空機の胴体等の構造材として広く利用されているが、曲面形状に成型された構造材のＧＦＲＰに対しても、このマークを形成することができる。
また、複数のマーキングパートをＧＦＲＰの異なる深さ位置に形成することで、複雑な形状や濃淡の色合いを持つグレースケールマークを付することができる。
また、このグレースケールマークは、図１０に示すように、各マーキングパート４１、４２、４３のＧＦＲＰ表面からの深さを違えるとともに、ＧＦＲＰ表面（矢印の方向）から見たときに、マーキングパート４１、４２、４３の一部が重なるようにそれらを形成しても良い。このようにすると、マーキングパート４１、４２、４３の重なり数が多くなる程、色が濃く見えるため、デフォーカス量の違いによる色の濃淡と、色の重なりによる濃淡とを併せて利用することで、濃淡の変化に富んだマークの形成が可能になる。
【００２１】
ここでは専らＧＦＲＰへのマーク形成について説明したが、光が透過する複合材料である光透過型複合材料であれば、本発明の適用が可能であり、例えば、アルミナファイバーとエポキシ樹脂とが複合された複合材料等にも適用することができる。
また、ここでは、マークの形成にフェムト秒レーザを使用したが、フェムト秒レーザとともに超短パルスレーザに分類されるピコ秒レーザを用いることも可能である。
【産業上の利用可能性】
【００２２】
本発明は、光透過型複合材料の生産分野や、それを構造材として使用する車両、船舶、航空機、鉄道、住宅等の製造分野において、光透過型複合材料に対し、識別情報、管理情報、商標、ロゴマーク等の各種のマークや記号、あるいは、図８に示すような各種の装飾を形成するために広く利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の実施形態のマーキング方法で使用したフェムト秒レーザを示す図
【図２】マーキング対象物のＧＦＲＰの模式的断面図
【図３】本発明の実施形態のマーキング方法でＧＦＲＰに形成されるマークの説明図
【図４】レーザ光のデフォーカス量とマーキングとの関係を示す図
【図５】レーザ走査の軌跡を示す図
【図６】本発明の実施形態のマーキング方法で形成するグレースケールマークの説明図
【図７】グレースケールマークのマーキングパートを示す図
【図８】本発明の実施形態のマーキング方法で形成したグレースケールマークを示す図
【図９】本発明の実施形態のマーキング方法で曲面へのマーク形成に用いる装置の説明図
【図１０】本発明の実施形態のマーキング方法で形成する第２のグレースケールマークの説明図
【符号の説明】
【００２４】
１０  レーザ出力装置
１１  λ／２板
１２  Ｇｌａｎレーザープリズム
１３  ＮＤフィルタ
１４  シャッター
１５  ミラー
１６  ミラー
１７  ディクロイックミラー
１８  結像レンズ
１９  ＣＣＤカメラ
２０  対物レンズ
２１  自動３軸ステージ
２２  コントローラ
２３  レーザ光
２４  ファイバ
２５  対物レンズ保持機構
３０  ＧＦＲＰ
３１  ガラス繊維束
３２  ガラス繊維束
３３  樹脂部
４１  マーキングパート
４２  マーキングパート
４３  マーキングパート
【図９】
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【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
0005226300.tif 000010
【図１０】
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