(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
部材に対して移動しながら前記部材の表面にレーザー光線を照射して前記表面を荒らすことにより、前記表面の接着性を向上させるレーザー照射装置であって、
前記レーザー光線は、所定の時間的間隔で照射されて、前記部材の前記表面において前記移動の方向に所定の間隔をあけて複数の凹所を形成し、
前記レーザー光線の１回照射分における波形は、
照射開始時に単位時間当たりの照射強度の増加率が最大となり、最大照射強度に近づくにつれて単位時間当たりの照射強度の増加率が小さくなっていく前半部と、
前記前半部の後、単位時間当たりの照射強度の減少率が最大となり、照射強度がベース電流に近づくにつれて単位時間当たりの照射強度の減少率が小さくなっていく後半部とを有しており、
複数の前記凹所は、それぞれ、
中央部に形成された深い底部と、
前記波形における前記前半部の前記増加率および前記後半部の前記減少率に対応して、前記部材に対する前記レーザー光線の前記移動の方向に沿って前記部材の表面から前記底部に至るなだらかな傾斜部とを有している
レーザー照射装置。
【請求項２】
前記レーザー光線の１回照射分における波形は、
前記前半部と前記後半部との間に、照射強度の増加率がゼロに近い中間部をさらに有している
請求項１に記載のレーザー照射装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載のレーザー照射装置をＣＦＲＰ材に対して移動させながら前記ＣＦＲＰ材の表面にレーザー光線を照射することにより、前記ＣＦＲＰ材の接着性を向上させる
表面荒らし処理方法。
【請求項４】
複数の前記レーザー光線を１列に並べて照射し、
前記レーザー光線の照射列に直交する方向に前記レーザー照射装置を移動させながら前記ＣＦＲＰ材に前記レーザー光線を所定の時間的間隔で照射していき、
前記レーザー光線を照射することによって形成される前記凹所における前記移動方向の長さを長径とし、前記移動方向において互いに隣り合う前記凹所の間隔を縦方向の間隔寸法としたとき、
前記長径に対する前記縦方向の間隔寸法の割合が、５０％以上かつ８００％以下である
請求項３に記載の表面荒らし処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、部材の表面を荒らして同表面の接着性を向上させるためのレーザー照射装置およびそれを用いた表面荒らし処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
接着剤を用いて部材を接着する際、前処理として当該部材の表面を荒らすことが一般に行われている。この「荒らし」処理には、例えば、サンドペーパーを使用する方法や、サンドブラスト、ウォーターブラスト、あるいはケミカル処理といった手法が一般的に用いられている。
【０００３】
しかし、サンドペーパーの使用は接触式であることによって起因する品質のバラツキがあり、サンドブラストは粉塵による作業環境の問題があり、ウォーターブラストやケミカル処理は排水設備が必要になるといったように、それぞれ問題があった。
【０００４】
そこで、これらの問題を解決すべく、非接触式であることによって品質のバラツキを抑えることができ、かつ、作業環境の問題や排水設備が不要なレーザー光線を用いた荒らし処理が開発されている。
【０００５】
例えば特許文献１には、短波長あるいは長波長のレーザー光線を金属等の部材の表面に照射することによって当該部材の表面を荒らす技術が開発されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開昭６２−１０３３１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、部材の表面の接着性を向上させるために当該部材の表面を荒らす際、レーザー光線の強度を単に強くしたり、あるいは、当該表面における単位面積当たりのレーザー光線の照射数を単に多くしたりすれば表面の接着性が向上するとは限らず、むしろ接着性が低下する場合もある。
【０００８】
また、レーザー光線の強度を単に強くすると、同レーザー光線を発生させるレーザーダイオードにダメージを与えてしまうおそれもあった。
【０００９】
本発明は、前述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、部材の表面の接着性を向上させるために当該表面の荒らしを行うのに最適なレーザ光線を照射できるとともに、レーザー光線の光源としてレーザーダイオードを使用した場合であっても、当該レーザーダイオードに与えるダメージを軽減できるレーザー照射装置およびそれを用いた表面荒らし処理方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の一局面によれば、
部材に対して移動しながら前記部材の表面にレーザー光線を照射して前記表面を荒らすことにより、前記表面の接着性を向上させるレーザー照射装置であって、
前記レーザー光線は、所定の時間的間隔で照射されて、前記部材の前記表面において前記移動の方向に所定の間隔をあけて複数の凹所を形成し、
前記レーザー光線の１回照射分における波形は、
照射開始時に単位時間当たりの照射強度の増加率が最大となり、最大照射強度に近づくにつれて単位時間当たりの照射強度の増加率が小さくなっていく前半部と、
前記前半部の後、単位時間当たりの照射強度の減少率が最大となり、照射強度がベース電流に近づくにつれて単位時間当たりの照射強度の減少率が小さくなっていく後半部とを有しており、
複数の前記凹所は、それぞれ、
中央部に形成された深い底部と、
前記波形における前記前半部の前記増加率および前記後半部の前記減少率に対応して、前記部材に対する前記レーザー光線の前記移動の方向に沿って前記部材の表面から前記底部に至るなだらかな傾斜部とを有している
レーザー照射装置が提供される。
【００１１】
好適には、
前記レーザー光線の１回照射分における波形は、
前記前半部と前記後半部との間に、照射強度の増加率がゼロに近い中間部をさらに有している。
【００１２】
本発明の他の局面によれば、
上述したレーザー照射装置をＣＦＲＰ材に対して移動させながら前記ＣＦＲＰ材の表面にレーザー光線を照射することにより、前記ＣＦＲＰ材の接着性を向上させる
表面荒らし処理方法が提供される。
【００１３】
好適には、
複数の前記レーザー光線を１列に並べて照射し、
前記レーザー光線の照射列に直交する方向に前記レーザー照射装置を移動させながら前記ＣＦＲＰ材に前記レーザー光線を所定の時間的間隔で照射していき、
前記レーザー光線を照射することによって形成される前記凹所における前記移動方向の長さを長径とし、前記移動方向において互いに隣り合う前記凹所の間隔を縦方向の間隔寸法としたとき、
前記長径に対する前記縦方向の間隔寸法の割合が、５０％以上かつ８００％以下である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、レーザー光線の部材表面への照射の前半においては、照射強度を素早く増加させた後、徐々に照射強度の増加率を小さくしていき、かつ、照射の後半では、照射強度を素早く減少させるようになっている。これにより、レーザー光線の照射位置における部材の表面に形成される凹所が、図３に示すように、当該凹所の中央部が深い底部を有しており、さらに、この底部に向かってなだらかに傾斜するような断面形状となる。
【００１５】
このように部材の表面に形成される凹所の断面形状が凹所の底部に向かってなだらかに傾斜する傾斜部を有するものになることにより、例えば矩形波のレーザー光線（図４を参照）を用いたときに形成される略矩形状の断面形状を有する凹所（図５を参照）と比較して、部材の表面にある程度粘性が高い接着剤を塗布する場合であっても、当該接着剤が凹所の底部まで流れ込みやすくなる。このため、部材の表面の接着性を向上させることができる。
【００１６】
また、照射の前半において照射強度の増加率を徐々に小さくすることにより、電流強度が急激に立ち上がってスパイク電流が生じるのを回避できるので、レーザー光線の光源としてレーザーダイオードを使用した場合であっても、当該レーザーダイオードに与えるダメージを軽減できる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明が適用された実施形態に係るレーザー照射装置１０を示す図である。
【図２】本発明が適用された実施形態に係るレーザー光線Ｌの波形を示す図である。
【図３】本発明が適用された実施形態に係るレーザー光線Ｌによって形成された凹所Ｘの形状を示す部材Ｓの断面図である。
【図４】矩形波のレーザー光線の波形を示す図である。
【図５】矩形波のレーザー光線によって形成された凹所の形状を示す部材Ｓの断面図である。
【図６】変形例１に係るレーザー照射装置１０を示す図である。
【図７】変形例１に係るレーザー照射装置１０によって形成された多数の凹所Ｘを示す、部材Ｓの平面図である。
【図８】縦方向の間隔寸法と接着強度との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
（レーザー照射装置１０の構成）
以下、図面を用いて、本発明が適用されたレーザー照射装置１０の構成について説明する。なお、本発明が適用されたレーザー照射装置１０は、例えば、本実施形態のようにＣＦＲＰ（炭素繊維強化プラスチック）材Ｓの表面Ｔを荒らす処理に使用してもよいし、ＣＦＲＰ材に限らず、金属やその他の部材の表面を荒らす処理に使用してもよい。
【００１９】
図１に示すように、レーザー照射装置１０は、大略、レーザー光源１２と、集光具１４とを備えている。
【００２０】
レーザー光源１２は、所定の波長・波形のレーザー光線Ｌを発生する部材であり、本実施形態ではレーザーダイオード（半導体レーザー）が使用されている。もちろん、レーザー光源１２はこれに限定されるものではなく、例えば、より高出力のレーザー光線Ｌを発生させることのできるレーザー加工機を使用してもよい。
【００２１】
集光具１４は、レーザー光源１２からのレーザー光線Ｌを所定の焦点位置Ｆに集光するための部材であり、本実施形態では、１つのレーザー光源１２に対して２つの凸レンズ１６を組み合わせて構成されている。焦点位置Ｆは、荒らし処理の対象となる部材Ｓ（本実施形態では、ＣＦＲＰ材）の表面Ｔに設定されている。集光具１４も本実施形態のものに限定されず、例えば、リフレクターを使用したり、あるいは、レンズとリフレクターとを組み合わせたりして集光具１４を構成してもよい。
【００２２】
レーザー光源１２から照射されたレーザー光線Ｌは、集光具１４で屈折されて、焦点位置Ｆである部材Ｓの表面Ｔに集光される。
【００２３】
ここで、レーザー光源１２から照射されるレーザー光線Ｌの波形について詳述する。図２に示すように、当該レーザー光線Ｌの波形はパルス状に形成されている。ベース電流Ｂから電流値が増加し、然る後、再びベース電流Ｂまで減少してくる１回のパルスサイクルで、部材Ｓの表面Ｔに１つの凹所Ｘが形成されるようになっている。また、各パルスサイクルは、所定の時間的間隔で発生し、各パルスサイクルでそれぞれレーザー光線Ｌが照射される。なお、ベース電流Ｂの電流値は、ゼロであってもよいし、ゼロよりも大きい所定の電流値であってもよい。
【００２４】
１回のパルスサイクルに着目すると、本実施形態に係るレーザー光線Ｌの波形は、照射開始時に単位時間当たりの照射強度（電流強度）の増加率が最大となり、最大照射強度（最大電流強度）に近づくにつれて単位時間当たりの照射強度（電流強度）の増加率が小さくなっていく前半部１００と、照射強度（電流強度）の増加率がゼロに近い中間部１０２と、当該中間部１０２の後、単位時間当たりの照射強度（電流強度）の減少率が最大となり、照射強度（電流強度）がベース電流Ｂに近づくにつれて単位時間当たりの照射強度（電流強度）の減少が小さくなっていく後半部１０４とを有している。
【００２５】
本明細書全体を通して、中間部１０２における「照射強度（電流強度）の増加率がゼロに近い」とは、照射開始時における単位時間当たりの照射強度（電流強度）の最大増加率を１００％としたときに、１０％以下の増加率となることを意味している。
【００２６】
なお、レーザー光線Ｌの波形における中間部１０２は本発明の必須の構成ではなく、レーザー光線Ｌを前半部１００と後半部１０４とで構成してもよい。
【００２７】
本実施形態によれば、レーザー光線Ｌを部材Ｓの表面Ｔに照射する前半においては、照射強度（電流強度）を素早く増加させた後、徐々に照射強度（電流強度）の増加率を小さくしていき、かつ、照射の後半では、照射強度（電流強度）を素早く減少させるようになっている。これにより、レーザー光線Ｌの照射位置における部材Ｓの表面Ｔに形成される凹所Ｘが、図３に示すように、当該凹所Ｘの中央部が深い底部Ｚを有しており、さらに、この底部Ｚに向かってなだらかに傾斜するような断面形状となる。
【００２８】
このように部材Ｓの表面Ｔに形成される凹所Ｘの断面形状が凹所Ｘの底部Ｚに向かってなだらかに傾斜する傾斜部Ｋを有するものになることにより、例えば矩形波のレーザー光線（図４を参照）を用いたときに形成される略矩形状の断面形状を有する凹所（図５を参照）と比較して、部材の表面にある程度粘性が高い接着剤Ｙを塗布する場合であっても、当該接着剤Ｙが凹所Ｘの底部Ｚまで流れ込みやすくなる。このため、部材Ｓの表面Ｔの接着性を向上させることができる。
【００２９】
なお、上述のように、レーザー光線Ｌを前半部１００と後半部１０４とで構成した場合、当該レーザー光線Ｌで形成される凹所Ｘの断面形状は底部Ｚの幅方向長さが短いもの（あるいは、底部Ｚがほとんど存在せずになだらかな傾斜部Ｋのみで構成された凹所Ｘ）になるが、この場合であっても、凹所Ｘの断面形状がなだらかに傾斜する傾斜部Ｋを有するものであることから部材Ｓの表面Ｔの接着性は向上するが、底部Ｚが存在する（つまり、レーザー光線Ｌの波形が中間部１０２を有する）場合の方が、部材Ｓの表面Ｔの接着性向上の点で好適である。
【００３０】
また、照射の前半において照射強度（電流強度）の増加率を徐々に小さくすることにより、電流強度が急激に立ち上がってスパイク電流が生じるのを回避できるので、レーザー光線Ｌの光源１２としてレーザーダイオードを使用した場合であっても、当該レーザーダイオードに与えるダメージを軽減できる。
【００３１】
（変形例１）
上述した実施形態では、１組のレーザー光源１２と集光具１４とでレーザー照射装置１０を構成していたが、複数のレーザー光源１２と集光具１４とを組み合わせてレーザー照射装置１０を構成してもよい。
【００３２】
この変形例１に係るレーザー照射装置１０は、図６に示すように、例えば５組のレーザー光源１２と集光具１４とを組み合わせて構成されている。
【００３３】
各レーザー光源１２から部材Ｓに向けて照射されるレーザー光線Ｌの焦点位置Ｆは、それぞれ所定の間隔をあけて、かつ、各焦点位置Ｆが１列に並ぶように設定されている。
【００３４】
このようなレーザー照射装置１０全体を、各焦点位置Ｆが並んだ方向（以下、「幅方向」という。）に直交する方向（以下、「縦方向」という。）に移動させてくとともに、所定の時間的間隔でレーザー光線Ｌを照射すると、図７に示すように、部材Ｓの表面Ｔにおいて碁盤目状に凹所Ｘを形成することができる。
【００３５】
（実験例）
このレーザー照射装置１０を用いて、多数のカーボンファイバーがそれぞれ略平行に引き揃えられて構成されたＣＦＲＰ材（部材Ｓ）の表面Ｔにレーザー光線Ｌを照射する場合において、各レーザー光線Ｌによって形成される各凹所Ｘの径、各レーザー光線Ｌの焦点位置Ｆ同士の幅方向の間隔寸法、および、縦方向の間隔寸法をパラメーターとして、好適な縦方向の間隔寸法を確認した。なお、ＣＦＲＰ材（部材Ｓ）に含まれるカーボンファイバーが延びる方向と「縦方向」とを互いに一致させている。
【００３６】
部材Ｓは固定されており、レーザー照射装置１０は縦方向に移動しながら所定の時間間隔でパルス状の波形を有するレーザー光線Ｌを照射していく。このため、各凹所Ｘの表面形状は縦方向に長い楕円状となる。以下、凹所Ｘの表面形状における縦方向の長さを「長径」、幅方向の長さを「短径」という。
【００３７】
本実験では、「長径」を０．１ｍｍ、「短径」を０．０５ｍｍに設定した。また、幅方向の間隔寸法をそれぞれ０．０５ｍｍとして固定し、縦方向の間隔寸法を変化させることによって、荒らし処理後のＣＦＲＰ材（部材Ｓ）の接着強度を確認した。
【００３８】
接着強度は、このＣＦＲＰ材（部材Ｓ）と、表面をサンドブラスト処理（＃１８０、距離１０ｍｍで５秒間）した直径１０ｍｍのステンレス製丸棒とをエポキシ系接着剤（ナガセケムテックス  ＤＥＮＡＴＴＥ  ＸＮＲ３３２４・ＸＮＨ３３２４（２液性））で接着し、１００℃で０．５時間放置した後、当該丸棒を引っ張ることによってＣＦＲＰ材（部材Ｓ）から剥がれたときの力（Ｎ）を測定した。実験結果を表１および図８に示す。
【００３９】
【表１】
0006822699.tif 000002
【００４０】
ＣＦＲＰ材（部材Ｓ）の表面に荒らし処理をしない場合の接着強度は、７８５．２Ｎであった。実験結果に示すように、縦方向の間隔寸法が短すぎると荒らし処理をしない場合よりも接着強度が小さくなる。また、縦方向の間隔寸法を長くしていくと、荒らし処理をしない場合とほぼ変わらない接着強度となり、荒らし処理の意味がなくなる。
【００４１】
そこで、凹所Ｘの長径に対する縦方向の間隔寸法の割合が、２５％以上かつ８００％以下に設定することで、荒らし処理をしない場合に比べて接着強度を向上させることができる。
【００４２】
また、凹所Ｘの長径に対する縦方向の間隔寸法の割合を、５０％以上かつ６５０％以下に設定することで、荒らし処理をしない場合に比べて接着強度を１０％以上向上させることができる点で好適である。
【００４３】
さらに、凹所Ｘの長径に対する縦方向の間隔寸法の割合を、７５％以上かつ４５０％以下に設定することで、荒らし処理をしない場合に比べて接着強度を２０％以上向上させることができる点でさらに好適である。
【００４４】
なお、別の実験の結果から、幅方向の間隔寸法と接着強度との関係については、幅方向の間隔寸法がゼロよりも大きいことを前提とすると、当該幅方向の間隔寸法は接着強度に影響を与えないことがわかっている。
【００４５】
加えて、今回は炭素繊維方向が一方向のＣＦＲＰ材Ｓを使用したが、炭素繊維が垂直方向に平織り状、もしくは綾織り状に編み込まれたＣＦＲＰ材Ｓを使用した場合においても、今回の条件を満たせば接着強度を向上させることができる。
【００４６】
また、炭素以外の繊維材料、例えばガラス繊維やセラミック繊維、アラミド繊維やアルミニウム繊維、セルロースナノ繊維などを使用したＦＲＰ材についても同様のことが言える。
【００４７】
さらに、もし、凹所Ｘの長径の方向と短径の方向とが互いに入れ替わったとしても、凹所Ｘの「短径」に対する縦方向の間隔寸法の割合と接着強度との関係は、上述したものと変わらないこともわかっている。
【００４８】
今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した説明ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００４９】
１０…レーザー照射装置、１２…レーザー光源、１４…集光具
１００…前半部、１０２…中間部、１０４…後半部
Ｌ…レーザー光線、Ｆ…焦点位置、Ｓ…（荒らし処理がされる）部材、Ｔ…（部材Ｓの）表面、Ｘ…凹所、Ｂ…ベース電流、Ｙ…接着剤、Ｋ…傾斜部
【要約】
【課題】部材の表面の接着性を向上させるために当該表面の荒らしを行うのに最適なレーザ光線を照射できるとともに、レーザー光線の光源としてレーザーダイオードを使用した場合であっても、当該レーザーダイオードに与えるダメージを軽減できるレーザー照射装置を提供する。
【解決手段】レーザー照射装置１０から所定の時間的間隔で照射されるレーザー光線Ｌの１回照射分の波形を、照射開始時に単位時間当たりの照射強度の増加率が最大となり、最大照射強度に近づくにつれて単位時間当たりの照射強度の増加率が小さくなっていく前半部１００と、当該前半部１００の後、単位時間当たりの照射強度の減少率が最大となり、照射強度がベース電流に近づくにつれて単位時間当たりの照射強度の減少率が小さくなっていく後半部１０４とで構成する。
【選択図】図２【図１】
0006822699.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
0006822699.tif 000006
【図５】
0006822699.tif 000007
【図６】
0006822699.tif 000008
【図７】
0006822699.tif 000009
【図８】
0006822699.tif 000010