【発明の詳細な説明】 【０００１】 【発明の属する技術分野】本発明は、工業用部品のマーク付けに関するものである。 詳しく言えば本発明は、苛酷な環境中において使用されると共に、マークを生み出すための物理的変化が有害であり得るような部品に対して恒久的なマーク付けを行う技術に関する。 【０００２】 【発明の背景】多くの工業分野において、機械又は装置の個別部品を識別しかつ追跡することが必要である。 たとえば、航空機エンジン又はガスタービンの製造に際しては、タービンを構成する個々の翼はエンジン又はタービンの寿命期間を通じて追跡することが必要である。 部品のマーク付けは、製造業者が部品のライフサイクルを通じて部品を追跡することを可能にする。 それにより、
信頼性のモデル化、将来の設計改善、及び契約の遵守のために長期データが収集される。 部品上のマークは、タービンの高温ガス流路内の苛酷な環境により、かつまた定期的な保守作業中に行われる洗浄／補修操作により、
悪影響を受けることがある。 【０００３】かかるマークは恒久的なものであり、使用（たとえば、表面の摩擦）に耐えることができ、熱サイクルに耐えることができ、使用及びサービスに際して苛酷な環境に耐えることができ、かつ（最も重要な点として）部品の機能及び耐用年数に影響を及ぼさないことが理想的である。 ある種の部品はまた、それらの機械的設計が完成部品の表面上へのマークの付加によって損なわれないことを要求する。 部品材料の除去／転置は、系の機能に影響を及ぼすことがあり（重量分布及び釣合いが影響を受けることがある）、あるいは部品自体を危険にさらすこともある（刻印された文字が応力割れの開始部位として作用することがある）。 【０００４】部品マークには２つのタイプがある。 それらは、人間が読取り可能なもの及び人間には読取り不可能なものである。 前者の実例は、特定のサイズ及びフォントで書かれた文字及び数字の列である。 後者の実例は、スーパーマーケットのバーコードである。 【０００５】数多くの部品識別方法が試みられてきたが、耐久性及び読取り性の点で成功の度合は様々であった。 バーコード又は簡単な文字情報で部品を識別するためにインキ及びペイントが使用されてきた。 かかるマークは、実質的に部品表面の二次元方向のみに影響を与えるため、二次元（２Ｄ）マークと呼ばれることがある。
これらの方法は、飛行及び発電に際して通例遭遇する熱的環境の下では十分に恒久的なものではない。 部品表面に貼付されるラベルは、摩擦や燃焼で失われるばかりでなく、表面領域が平坦でないかあるいは読取りのために十分な面積が存在しないような部品に対しては不適当である。 金属ラベルは剥がれた場合に危険であり、現場で感知するのが困難であり、かつ他のタイプのマークに比べて重い。 【０００６】部品の寿命期間にわたってそれを追跡するためには、あらゆる取扱い時点においてマークを読取り、そしてコンピュータ・システムに入力することが必要である。 多くの場合、信頼可能な寿命データを蓄積するためには、認識の正確度が９９．９９％を越えなければならない。 いくら時間をかけても、人間がこのようなレベルに到達することは通例不可能である。 所要の信頼度に近付くためには、部品のマークを読取ってそのデータをコンピュータシステムに直接に入力するような機械システムを使用することが必要である。 【０００７】上記のごとき理由により、現場において容易に読取り可能であると共に、たとえば切削、エッチング、研磨、レーザ又はその他の材料除去技術による部品の表面の変化を要求しないような部品マーク付けのための装置及び簡単なシステムが要望されている。 【０００８】 【発明の概要】本明細書中に開示される発明は、部品の表面を構成する材料又はかかる材料中にある深さまで広がる表面近傍領域の物理的性質を特定の局所部位において変化させるためのシステムから成っている。 かかる目的のためには、部品材料の関連強度又は３Ｄ特性に影響を及ぼさず、かつ部品表面に付加されるペイント又はその他の２Ｄマークに依存しないような物理的手段が使用される。 【０００９】本発明の特徴及び利点は、添付の図面を参照しながら以下の詳細な説明を読むことによって一層明確に理解されよう。 【００１０】 【好適な実施の態様の詳細な説明】本発明においては、
局部的な材料表面の変性によって耐久性のある部品マーク付けが達成される。 部品の特定表面領域の性質を変化させ、かつそれらの変化を一貫したパターンで配置すれば、部品上に識別マークを付ける方法が得られる。 その後、一貫したパターンを検出して解釈することにより、
元の識別マークが検索される。 【００１１】ラベル貼り、インキマーク付け、スタンプ押し又はエッチングと異なり、多くの表面変性又は表面近傍変性は必ずしも人間の目には見えない。 それ故、本発明は(1) 表面変性の方法、(2) 符号化されたデータの読取りの際の読取り性及び正確度を向上させる方法、並びに(3) 表面変化の位置を決定する方法を含んでいる。
局部的な表面変性を行うための方法の実例としては、 １． 表面の衝撃硬化 ２． イオン注入 ａ． 表面磁性 ｂ． 表面電気抵抗率 ３． 光学的表面特性 が挙げられる。 【００１２】［衝撃硬化］：この方法は、「レーザ衝撃ピーニング」としても知られており、表面の幾何学的形状をほとんど変化させることなしに表面の圧縮残留応力を変化させる。 これは、部品表面上の水膜に入射した強いレーザ光パルスによって生み出される局所的な圧力波による表面への衝撃、表面層の塑性変形、及び表面において圧縮性を示す急勾配の残留応力場の生成を伴う機械的な方法である。 超音波反射によれば、僅かな密度差を検出することができる。 これは、表面変性のための簡単かつ極めて正確な方法である。 【００１３】［イオン注入］：この方法においては、気体元素又は金属元素の原子がイオン化され、高真空室内に送り込まれ、そこにおいて質量分離器により加速される。 次いで、特定のイオンが更に加速され、そして標的部品中に注入される。 注入された化学種は格子間の位置を占め、そして格子をゆがめる。 効果の深さは非常に浅くて、約０．２ミクロンである。 イオン注入装置においては、マイクロプローブと共に集束イオンビーム（ＦＩ
Ｂ）又はマイクロイオンビーム（ＭＩＢ）が使用される。 これにより、高度の照準正確度をもって標的領域に制御された数のイオンを極めて正確に注入することができる。 【００１４】鉄イオンの注入は表面の磁気特性を変化させる。 このような鉄イオンの差は、磁力計によって検出することができる。 表面磁性の僅かな変動を検出し得る超伝導量子干渉装置（ＳＱＵＩＤ）磁力計として、１個又は数個のジョセフソン接合から成る小型の超伝導ループが知られている。 【００１５】［表面抵抗率］：ドーピングイオンの注入は、表面の抵抗特性を変化させる。 表面抵抗は、物体の表面上の正方形の対辺間において測定されるような物体の表面に沿った電気抵抗として定義され、そしてΩ／ｓ
ｑの単位で表わされる。 アメリカ材料試験協会発行の「絶縁材料の直流抵抗又はコンダクタンスの標準試験方法」（Ｄ２５７）の１〜１６頁には、数多くの試験方法が提唱されている。 【００１６】ドーパントによって引起こされた抵抗率の差もまた、渦電流測定によって検出することができる。
この場合には、通例は１／８インチ（２．８８ｍｍ）〜
１／１６インチ（１．４４ｍｍ）の直径を有する小型の多重巻コイルが、導電性金属材料から小さな距離だけ上方にかつそれと平行に配置される。 コイル中に正弦波の交流電流が流される。 コイルによって生み出された交流磁場が金属に結合される結果、金属中には（表面に平行に）円電流が流れる。 これは渦電流である。 流れる渦電流の量及び電流の大きさ／形状は、渦電流によって生み出される磁場が印加された磁場と正確に等しくかつ正反対となるように自動調整される。 印加された交流信号と元のコイルにおいて感知される渦交流信号との間には位相遅れが存在する。 かかる位相差は、理想導体から期待される３Ｄ導電率に比べて非理想表面の３Ｄ導電率がどのように異なっているかに依存する。 このようにしてある領域を走査すれば、表面抵抗率の「マップ」が得られる。 ドーピングによって故意に変化させた領域は、未処理表面領域のバックグラウンドに比べてはっきりと目立っている。 【００１７】［偏極(polarization)］：材料の表面を偏極させることにより、材料を変化させることなしにマークを付けることができる。 かかる表面から光を反射させ、そしてインコヒーレント光源からのコヒーレント光の反射を検出すれば、偏極した表面であることがわかる。 このようにして表面の「マッピング」を行うことにより、形成されたマークを見い出すことができる。 【００１８】その他の方法及び処理も可能である。 その一例としては、ホウ素、窒素又は炭素をはじめとする元素を高温下で鉄材料の格子間領域中に拡散させるような熱化学的拡散処理が挙げられる。 これらの表面変性は、
マーク付けの後、所定部位が処理されたことを検出し得るような状態に表面特性を変化させる。 【００１９】かかる技術は、「データ・トラック」と呼ばれる表面区域上に一連の英数字を直接に「描画」又は「印字」するために使用することができる。 表面変性部位に符号化されたデータの正確度及び読取り性を向上させるためには、部品識別マークを構成する英数字列を特定の方式に基づく一連の数字に変換することが好ましい。 簡単な実例は、８ビットの２進ＡＳＣＩＩコードによる数字である。 ２進表示は、他の表示形式に比べて最も高い信号対雑音比を有するという点で好適である。 とは言え、３以上の基数による符号化も可能である。 【００２０】すなわち、２進数列「００１０１」に対する表面区域の処理パターンは「００Ｘ０Ｘ」であればよい。 この場合、Ｘは上記のごとき方法のいずれかを用いて「処理」された小さな表面領域（又は表面近傍領域）
を表わす。 【００２１】図１は、部品１０２の識別マーク付けを示す絵画図である。 データ・トラック１０４は、複数の処理可能なデータ・トラック領域１０６〜１１４から構成されている。 処理可能なデータ・トラック領域１０６〜
１１４の各々は、上記のごとき方法のいずれかによって処理されることもあれば、処理されないこともある。 読取り性を向上させるため、２つ以上の表面処理方法を使用することもできる。 たとえば、２進コードを識別するため、データ・トラック領域１０６はある１つの方法によって処理される一方、データ・トラック領域１０８は別の方法によって処理されている。 互いに隣接した処理可能な領域同士は、小さな間隔又は空隙１１６〜１２２
によって隔離されている。 なお、処理可能な領域は平坦な表面又は湾曲した表面上において直線（１Ｄ）又は曲線（２Ｄ若しくは３Ｄ）に沿って直列に配列されていてもよいし、あるいは任意適宜の表面２Ｄパターン（たとえば、碁盤状又は放射状の配列パターン）を成して配列されていてもよい。 【００２２】データ・トラックに参照トラックを追加すれば、表面処理データの読取りの正確度を向上させるための拡張技術が得られる。 なぜなら、表面処理の有無を検出することは物理的に困難な場合があるからである。
たとえば、下記のようにデータを書き込んだ２つのトラックを表面上に付加することができる。 【００２３】ＸＸＸＸＸ（参照トラック） ００Ｘ０Ｘ（データ・トラック） この場合、Ｘは表面処理を施した領域を表わす。 【００２４】図２の部品２００上には、データ・トラック２０２及び参照トラック２０４が示されている。 参照トラック２０４は、データ・トラック２０２の位置決定を可能にすると共に、検出された信号を参照トラックとの比較によって類別するための基準（処理）値を与える。 従って、参照トラック２０４は検出された信号の簡便な分類を可能にする。 ２進方式においては、データ・
トラック領域と参照トラック領域との間に差が存在すれば、「１」が書き込まれたことになる。 たとえば、データ・トラック領域２０６はある１つの表面処理方法によって処理される。 対応する参照トラック領域２０８は別の方法によって処理されるか、あるいは処理されない。
これら２つの領域は使用される検出方法に対して相異なる応答を示すから、「１」が書き込まれたことになる。
逆に、データ・トラック領域２１０及び対応する参照トラック領域２１２は共に同じ方法によって処理される（か、あるいはいずれも処理されない）から、これらの領域は使用される任意の検出方法に対して同じ応答を示す。 従って、「０」が書き込まれたことになる。 【００２５】単一のデータ・トラックを使用する場合には、「自己検査」方式のコード列を生み出すことによって読取りの正確度を向上させるような方法が存在する。
すなわち、各々の数字の位置に状態遷移が必ず存在する結果、１から０への遷移及び０から１への遷移を見失わないことによって元のパターンを検索することができる。 その一例は、磁気ディスクドライブ及びテープに関して使用されるウィンチェスタコードである。 磁気記憶媒体用として開発された数多くの技術を有利に使用することができる。 【００２６】本発明のもう１つの特徴は、エラー検出・
訂正コードを使用することにより、部品の使用に際して経時的にマークの一部が破壊される可能性に対処し得ることである。 情報数字の基本セットのみを書き込む代りに、特別に設計された検査数字の追加セットを付加することができる。 綿密な設計により、新たに符号化されたビット列は任意の数の個別の記号列数字が段階的なガーブリング又は破壊を受けても情報数字の回復を可能にする。 典型的なハミングコード及びその他のエラー訂正コードが古くから知られている。 エラー検出及び訂正の基礎は、ベル・システム・テクニカル・ジャーナル(Bell
System Technical Journal) 第２６巻第２号（１９５０
年）の１４７〜１６０頁に収載されたアール・ダブリュー・ハミング(RW Hamming)の技術論文「エラー検出及びエラー訂正コード」中に記載されている。 この方法は、２以上の基数によるアルファベットにおいて使用することができる。 【００２７】「イオン注入」されたマークは恐らくは追加の装置が無ければ作業員には直接に観察し得ないから、識別システムは部品を押し付けて読み取る小型のハンドヘルド（又はベンチトップ）走査ボックスをも提供する。 検出された符号化数字列は、解読後に人間が読取り可能な形態で作業員用のマルチキャラクタ光学ディスプレイ上に表示され、かつ（あるいは）コンピュータ追跡システムに接続されて部品に関するデータベースを維持するために使用されるか、又はサービス工程に送られる。 【００２８】部品表面上のパターン化領域の位置決定及び検出を可能にする方法は幾つか存在する。 １つの方法は、読取りヘッドを当てるための物理的テンプレートを使用することである。 これは、一定の位置にマークを付けるために役立つと共に、後にはそれらの位置において読取りを行うために役立つ。 予め設計された保持具で十分である。 もう１つの位置決定方法は、部品の表面を走査して予め「イオン注入」された位置決定パターン（たとえば、境界ボックス）を探知することによって符号化領域を検出し、そして位置決定パターンの境界に対する一定の位置から走査を進めるというものである。 【００２９】以上、好適な実施の態様に関連して本発明を説明したが、本発明の精神及び範囲から逸脱することなくそれに様々な変更や置換を施すことができる。 従って、上記の説明は例示を目的としたものに過ぎないのであって、本発明の範囲を制限するものではないことを理解すべきである。 【図面の簡単な説明】 【図１】データ・トラック中に識別マークを追加する表面変性を示す絵画図である。 【図２】読取り性の向上した識別マークを追加する表面変性を示す絵画図である。 【符号の説明】 １０２ 部品 １０４ データ・トラック １０６ データ・トラック領域 １０８ データ・トラック領域 １１０ データ・トラック領域 １１２ データ・トラック領域 １１４ データ・トラック領域 １１６ 間隔又は空隙 １１８ 間隔又は空隙 １２０ 間隔又は空隙 １２２ 間隔又は空隙 ２００ 部品 ２０２ データ・トラック ２０４ 参照トラック ２０６ データ・トラック領域 ２０８ 参照トラック領域 ２１０ データ・トラック領域 ２１２ 参照トラック領域 フロントページの続き (51)Int.Cl. 7識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） // Ｈ０５Ｋ 1/02 Ｈ０５Ｋ 1/02 Ｒ Ｆターム(参考） 4E066 BA13 4E068 AB01 AH00 5E338 AA00 DD21 DD40 EE21 EE41 |
