(57)【要約】【課題】処理能力を落とすことなく、レーザー加工装置のヘッド部分をより軽量化および小型化する。【解決手段】レーザー光を処理対象の構造物１３１の表面に照射するためのヘッド部１０１と、ヘッド部１０１に収容された回折光学素子１０２とを備える。光源１０３より出射されたレーザー光は、光ファイバ１０４により伝搬され、ヘッド部１０１の光入力部１０１ａよりヘッド部１０１に導かれる。光ファイバ１０４により伝搬されたレーザー光は、視準器１０５により平行光１２１とされ、回折光学素子１０２を通過することで照射分布がより広くされた成形光１２２とされる。成形光１２２は、ヘッド部１０１の出射部１０１ｂより出射され、処理対象の構造物１３１の処理対象面１３２に照射される。【選択図】  図１
2020032440.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザー光源より供給されたレーザー光を処理対象の構造物の表面に照射するためのヘッド部と、
前記ヘッド部に収容されて、レーザー光の照射分布をより広くするための回折光学素子と
を備えることを特徴とするレーザー加工装置。
【請求項２】
請求項１記載のレーザー加工装置において、
前記回折光学素子は、着脱可能とされていることを特徴とするレーザー加工装置。
【請求項３】
請求項１または２記載のレーザー加工装置において、
前記回折光学素子は、透過型であることを特徴とするレーザー加工装置。
【請求項４】
請求項１または２記載のレーザー加工装置において、
前記回折光学素子は、反射型であることを特徴とするレーザー加工装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載のレーザー加工装置において、
前記ヘッド部より出射されたレーザー光の光路を変更するための反射部を備えることを特徴とするレーザー加工装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザー光を用いた錆取りや塗装膜除去を行うレーザー加工装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザー加工装置は、金属や樹脂などの切断、溶接、印字など幅広く用いられており、最近では屋外で金属の錆を取り除く、いわゆる除錆や、金属に塗装された塗料を取り除くなど、構造物の保守用途へと利用範囲が拡大している。
【０００３】
現在、上述したような除錆には、金属のブラシや電動工具、あるいはブラスターと呼ばれる、砂や細かな鉄球を高速で吹き付ける装置が用いられている。しかしながら、電動工具では、鋼材の凹凸部の除錆が困難であるとともに、技術習得に時間を要し、また騒音や作業者の肉体的な負担が大きいという問題がある。また、ブラスターを用いる場合、吹き付けた砂や鉄球の飛散を防止するため、構造物の周りをシートで囲う必要があり、また騒音も大きく、さらに作業後の清掃に時間がかかるなどの問題がある。
【０００４】
これらに対して、レーザー加工装置は、騒音の抑制、金属の凹凸部の除錆や飛散物の回収が容易になるなどの多くの利点がある（特許文献１、非特許文献１参照）。この除錆用途のレーザー加工装置は、レーザー光源と加工用のヘッドとから構成されており、ヘッド部分を手で保持しながら作業を行うのが一般的である。
【０００５】
このレーザー加工装置は、ヘッド内にプリズムなどの光学系およびこの光学系を回転させる機構を備えている。これらの機構により、上記レーザー加工装置は、ヘッドから出射するレーザー光を円形に走査して出射するなど、除錆に最適な条件を実現するためのエネルギー密度や走査範囲、走査速度などの最適化がなされている。また、レーザー加工装置の上記機構により、単位時間あたりに除錆作業が完了する面積を大きくするための工夫がなされ、作業効率が図れるようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第５５７４３５４号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】「レーザークリーニング工法 可搬型レーザーによる塗膜及びサビの除去工法」、静岡県交通基板部技術管理課、新技術・新工法情報データベース、登録番号１６２４，［平成３０年８月２３日検索］、（http://www2.pref.shizuoka.jp/all/new_technique.nsf/7BFBD8898312FB56492581930029788E/$FILE/1624gaiyou.pdf）。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上述したレーザー加工装置は、ヘッド部分に光学系を回転させる機械駆動部を内蔵していることによりヘッド部分が重くなり、長時間の作業が負担になるという問題がある。さらに、このヘッド部分が上述したように大きくなるため、狭小部の除錆作業が難しいという問題がある。
【０００９】
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、処理能力を落とすことなく、レーザー加工装置のヘッド部分をより軽量化および小型化することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係るレーザー加工装置は、レーザー光源より供給されたレーザー光を処理対象の構造物の表面に照射するためのヘッド部と、ヘッド部に収容されて、レーザー光の照射分布をより広くするための回折光学素子とを備える。
【００１１】
上記レーザー加工装置において、回折光学素子は、着脱可能とされている。
【００１２】
上記レーザー加工装置において、回折光学素子は、透過型である。また、回折光学素子は、反射型である。
【００１３】
上記レーザー加工装置において、ヘッド部より出射されたレーザー光の光路を変更するための反射部を備えるようにしてもよい。
【発明の効果】
【００１４】
以上説明したように、本発明によれば、回折光学素子を用いてレーザー光の照射分布をより広くするようにしたので、処理能力を落とすことなく、レーザー加工装置のヘッド部分をより軽量化および小型化することできるという優れた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図１は、本発明の実施の形態１におけるレーザー加工装置の構成を示す構成図である。
【図２】図２は、回折光学素子に入射する光（レーザー光）の強度分布を示す分布図である。
【図３】図３は、回折光学素子により変更（成形）される照射分布の例を示す説明図である。
【図４】図４は、本発明の実施の形態２におけるレーザー加工装置の構成を示す構成図である。
【図５】図５は、本発明の実施の形態３におけるレーザー加工装置の構成を示す構成図である。
【図６】図６は、本発明の実施の形態４におけるレーザー加工装置の構成を示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態おけるレーザー加工装置について説明する。
【００１７】
［実施の形態１］
はじめに、本発明の実施の形態１におけるレーザー加工装置について、図１を参照して説明する。このレーザー加工装置は、レーザー光を処理対象の構造物１３１の表面に照射するためのヘッド部１０１と、ヘッド部１０１に収容された回折光学素子１０２とを備える。回折光学素子１０２は、ヘッド部１０１の内部に固定されている。実施の形態１における回折光学素子１０２は、透過型である。
【００１８】
光源１０３より出射されたレーザー光は、光ファイバ１０４により伝搬され、ヘッド部１０１の光入力部１０１ａよりヘッド部１０１に導かれる。光ファイバ１０４により伝搬されたレーザー光は、視準器１０５により平行光１２１とされ、回折光学素子１０２を通過することで照射分布がより広くされた成形光１２２とされる。成形光１２２は、ヘッド部１０１の出射部１０１ｂより出射され、処理対象の構造物１３１の処理対象面１３２に照射される。この成形光１２２の照射により、例えば、処理対象面１３２の錆を除去する。
【００１９】
例えば、平行光１２１の照射分布は、図２に示すように、中心部ほど光強度が高い円形とされている。回折光学素子１０２を用いることで、図３に示すような照射分布とすることができる。例えば、図３の（ａ−１），（ａ−２）に示すように、矩形の照射分布とし、矩形の照射量域内では均一な光強度とすることができる。また、図３の（ｂ−１），（ｂ−２）に示すように、円形の照射分布とし、円形の照射量域内では均一な光強度とすることができる。また、図３の（ｃ−１），（ｃ−２）に示すように、複数の島状の照射分布とし、各島状の照射量域内では、各々均一な光強度とすることができる。回折光学素子１０２を用いることで、プリズムなどの光学系およびこの光学系を回転させる機構による従来のレーザー加工装置に比較し、単位時間当たりの作業範囲を小さくすることなく、処理の性能（能力）を落とすことがない。
【００２０】
回折光学素子１０２は、例えば、ＺｎＳ、石英などの透明材料の板部材から構成することができる。板部材の表面に、公知の微細加工により所定の微細形状（回折パターン）を形成することで、回折光学素子１０２とすることができる。回折光学素子１０２は、重量が数十グラム程度であり、プリズムなどの光学系およびこれらを回転させる機構を用いる場合に比較して、ヘッド部１０１をより小型にすることが可能であり、より軽くすることが可能となる。また、回折光学素子１０２は、形状および大きさを容易に設定（変更）することが可能であり、ヘッド部１０１の大きさや形状に適合させることが容易である。また、回折光学素子１０２の価格は数十万円であるので、機械駆動機構と同程度かあるいは安価にヘッド部１０１を構成することができる。
【００２１】
また、作業内容や処理対象によって、光強度分布の形状が長方形であるのが好適な場合や、点状に分布したものが好適である場合がある。これに対し、回折光学素子１０２を、着脱可能とし、回折光学素子１０２を交換可能としておけば、１つのヘッド部１０１で様々な光強度分布の形状を実現し、様々な状況において１台の装置で効率的に作業を実施することができる。
【００２２】
なお、光源１０３は、ＣＷレーザー、パルスレーザーのどちらから構成してもよい。赤錆が発生している鉄板にレーザー照射して除錆を実施した実験から、数Ｊ／ｍｍ2のエネルギー密度があれば、赤錆の除錆が可能であることが判明している。従って、成形光１２２の光強度分布が、数Ｊ／ｍｍ2となるように光源１０３の出力が調整可能とされていればよい。
【００２３】
ヘッド部１０１は、例えば、内容量５００ミリリットルのペットボトルと同程度の大きさに形成可能である。また、ヘッド部１０１は、重量は２００ｇ程度とすることができ、ブラスターや電動工具の約３分の１に軽量化でき、片手での保持が可能となる。
【００２４】
光源１０３から出力されるレーザー光の強度を調整し、回折光学素子１０２により得られる成形光１２２の光強度分布を８ｍＪ／ｍｍ2とし、実際に５００ｍｍ×５００ｍｍの領域の除錆作業を行った。この結果、電動工具やブラスターを用いる除錆に比較して、半分程度の時間で作業が終了した。また、処理対象の金属表面における凹凸部分の錆も除去できた。また、実施の形態１におけるヘッド部１０１によるレーザー加工装置によれば、プリズムなどの光学系およびこの光学系を回転させる機構による従来のレーザー加工装置と同程度の処理（除錆）能力が得られた。
【００２５】
上述したヘッド部１０１を用いた除錆作業および塗料の除去作業では、電動工具やブラスターを用いる際に必要な構造物周りのシート等が不要であり、作業時に発生する騒音を２０ｄＢ程度低減することができた。また、プリズムなどの光学系およびこの光学系を回転させる機構による従来のレーザー加工装置と比較して、ヘッド部１０１を、より小型、より軽量にすることができた。
【００２６】
［実施の形態２］
次に、本発明の実施の形態２におけるレーザー加工装置について、図４を参照して説明する。このレーザー加工装置は、レーザー光を処理対象の構造物１３１の表面に照射するためのヘッド部２０１と、ヘッド部２０１に収容された回折光学素子２０２とを備える。回折光学素子２０２は、ヘッド部２０１の内部に固定されている。実施の形態２における回折光学素子２０２は、反射型である。なお、同一の符号は、前述した実施の形態１と同様である。
【００２７】
光源１０３より出射されたレーザー光は、光ファイバ１０４により伝搬され、ヘッド部２０１の光入力部２０１ａよりヘッド部２０１に導かれる。光ファイバ１０４により伝搬されたレーザー光は、視準器１０５により平行光１２１とされ、回折光学素子２０２を反射することで照射分布がより広くされた成形光１２２ａとされる。成形光１２２ａは、ヘッド部２０１の出射部２０１ｂより出射され、処理対象の構造物１３１の処理対象面１３２に照射される。この成形光１２２ａの照射により、例えば、処理対象面１３２の錆を除去する。
【００２８】
例えば、平行光１２１の照射分布は、前述したように中心部ほど光強度が高い円形とされている。反射型の回折光学素子２０２を用いることでも、図３を用いて説明したように、様々な照射分布とすることができる。回折光学素子２０２を用いることでも、プリズムなどの光学系およびこの光学系を回転させる機構による従来のレーザー加工装置に比較し、単位時間当たりの作業範囲を小さくすることなく、処理の性能（能力）を落とすことがない。
【００２９】
回折光学素子２０２は、例えば、ＺｎＳ、石英などの透明材料の板部材から構成することができる。板部材の表面に、公知の微細加工により所定の微細形状（回折パターン）を形成することで、回折光学素子２０２とすることができる。回折光学素子２０２は、重量が数十グラム程度であり、プリズムなどの光学系およびこれらを回転させる機構を用いる場合に比較して、ヘッド部２０１をより小型にすることが可能であり、より軽くすることが可能となる。また、回折光学素子２０２は、形状および大きさを容易に設定（変更）することが可能であり、ヘッド部２０１の大きさや形状に適合させることが容易である。また、回折光学素子２０２の価格は数十万円であるので、機械駆動機構と同程度かあるいは安価にヘッド部２０１を構成することができる。
【００３０】
また、作業内容や処理対象によって、光強度分布の形状が長方形であるのが好適な場合や、点状に分布したものが好適である場合がある。これに対し、回折光学素子２０２を、着脱可能とし、回折光学素子２０２を交換可能としておけば、１つのヘッド部２０１で様々な光強度分布の形状を実現し、様々な状況において１台の装置で効率的に作業を実施することができる。
【００３１】
ヘッド部２０１は、例えば、内容量５００ミリリットルのペットボトルと同程度の大きさに形成可能であり、重量は２００ｇ程度とすることができる。光源１０３から出力されるレーザー光の強度を調整し、回折光学素子２０２により得られる成形光１２２ａの光強度分布を８ｍＪ／ｍｍ2とし、実際に５００ｍｍ×５００ｍｍの領域の除錆作業を行った。この結果、電動工具やブラスターを用いる除錆に比較して、半分程度の時間で作業が終了した。また、処理対象の金属表面における凹凸部分の錆も除去できた。また、実施の形態２におけるヘッド部２０１によるレーザー加工装置によれば、プリズムなどの光学系およびこの光学系を回転させる機構による従来のレーザー加工装置と同程度の処理（除錆）能力が得られた。
【００３２】
上述したヘッド部２０１を用いた除錆作業および塗料の除去作業では、電動工具やブラスターを用いる際に必要な構造物周りのシート等が不要であり、作業時に発生する騒音を２０ｄＢ程度低減することができた。また、プリズムなどの光学系およびこの光学系を回転させる機構による従来のレーザー加工装置と比較して、ヘッド部２０１を、より小型、より軽量にすることができた。
【００３３】
［実施の形態３］
次に、本発明の実施の形態３におけるレーザー加工装置について、図５を参照して説明する。このレーザー加工装置は、レーザー光を処理対象の構造物１３１の表面に照射するためのヘッド部１０１と、ヘッド部１０１に収容された回折光学素子１０２とを備える。実施の形態３における回折光学素子１０２は、透過型である。
【００３４】
光源１０３より出射されたレーザー光は、光ファイバ１０４により伝搬され、ヘッド部１０１の光入力部１０１ａよりヘッド部１０１に導かれる。光ファイバ１０４により伝搬されたレーザー光は、視準器１０５により平行光１２１とされ、回折光学素子１０２を通過することで照射分布がより広くされた成形光１２２とされる。成形光１２２は、ヘッド部１０１の出射部１０１ｂより出射される。
【００３５】
上述した構成は、実施の形態１と同様である。実施の形態３では、ヘッド部１０１の出射部１０１ｂより出射された成形光（レーザー光）１２２の光路を変更するための反射部３０１をさらに備えるようにした。
【００３６】
実施の形態３では、ヘッド部１０１の出射部１０１ｂより出射された成形光１２２は、反射部３０１で反射して進行方向を変更され、進行方向を変更した成形光１２３が、処理対象の構造物２３１の処理対象面２３２に照射される。構造物２３１における処理対象面２３２は、構造物２３１の屈曲した孔部の奥にあり、孔部の入り口から見込めない箇所にあるが、反射部３０１を用いて成形光１２２の進行方向を変更して成形光１２３とすることで、処理対象面２３２に照射することができる。成形光１２３の照射により、例えば、処理対象面２３２の錆を除去する。
【００３７】
実施の形態３によれば、構造物２３１の屈曲した孔部の奥にある、５０ｍｍ×１０００ｍｍの狭小な処理対象面２３２の除錆作業を行った結果、従来技術では困難であった除錆作業を行うことができた。
【００３８】
反射部３０１は、例えば、平面鏡、凹面鏡、凸面鏡のいずれかであれ場よい。処理対象の状況に応じ、適宜に平面鏡、凹面鏡、凸面鏡のいずれかを選択すればよい。また、用途に応じて複数の反射部を用いるようにしてもよい。
【００３９】
実施の形態３においても、前述した実施の形態１同様であり、ヘッド部１０１を用いた除錆作業および塗料の除去作業では、電動工具やブラスターを用いる際に必要な構造物周りのシートなどが不要であり、作業時に発生する騒音を２０ｄＢ程度低減することができる。また、プリズムなどの光学系およびこの光学系を回転させる機構による従来のレーザー加工装置と比較して、ヘッド部１０１を、より小型、より軽量にすることができる。
【００４０】
［実施の形態４］
次に、本発明の実施の形態４におけるレーザー加工装置について、図６を参照して説明する。このレーザー加工装置は、レーザー光を処理対象の構造物１３１の表面に照射するためのヘッド部２０１と、ヘッド部２０１に収容された回折光学素子２０２とを備える。実施の形態４における回折光学素子２０２は、反射型である。
【００４１】
光源１０３より出射されたレーザー光は、光ファイバ１０４により伝搬され、ヘッド部２０１の光入力部２０１ａよりヘッド部２０１に導かれる。光ファイバ１０４により伝搬されたレーザー光は、視準器１０５により平行光１２１とされ、回折光学素子２０２を反射することで照射分布がより広くされた成形光１２２ａとされる。成形光１２２ａは、ヘッド部２０１の出射部２０１ｂより出射される。
【００４２】
上述した構成は、実施の形態２と同様である。実施の形態４では、ヘッド部２０１の出射部２０１ｂより出射された成形光（レーザー光）１２２ａの光路を変更するための反射部３０１，反射部３０２をさらに備えるようにした。
【００４３】
実施の形態４では、ヘッド部２０１の出射部２０１ｂより出射された成形光１２２ａは、まず、反射部３０１で反射して進行方向を変更される。次に、反射部３０１で進行方向を変更した成形光１２３ａが、反射部３０２で反射して進行方向を変更さる。このようにして進行方向を変更した成形光１２４ａが、処理対象の構造物２３１ａの処理対象面２３２ａに照射される。
【００４４】
構造物２３１ａにおける処理対象面２３２ａは、構造物２３１ａの複雑に屈曲した孔部の奥にあり、孔部の入り口から見込めない箇所にある。これに対し、反射部３０１を用いて成形光１２２ａの進行方向を変更して成形光１２３とし、さらに、反射部３０２を用いて成形光１２３ａの進行方向を変更して成形光１２４ａとすることで、処理対象面２３２ａに照射することができる。成形光１２４ａの照射により、例えば、処理対象面２３２ａの錆を除去する。
【００４５】
実施の形態４によれば、構造物２３１の屈曲した孔部の奥にある、５０ｍｍ×１０００ｍｍの狭小な処理対象面２３２の除錆作業を行った結果、従来技術では困難であった除錆作業を行うことができた。
【００４６】
反射部３０１，反射部３０２は、例えば、平面鏡、凹面鏡、凸面鏡のいずれかであれ場よい。処理対象の状況に応じ、適宜に平面鏡、凹面鏡、凸面鏡のいずれかを選択すればよい。
【００４７】
実施の形態４においても、前述した実施の形態２同様であり、ヘッド部２０１を用いた除錆作業および塗料の除去作業では、電動工具やブラスターを用いる際に必要な構造物周りのシートなどが不要であり、作業時に発生する騒音を２０ｄＢ程度低減することができる。また、プリズムなどの光学系およびこの光学系を回転させる機構による従来のレーザー加工装置と比較して、ヘッド部２０１を、より小型、より軽量にすることができる。
【００４８】
ところで、発明者らの検討により、現在一般に入手可能な回折光学素子は、応力を加えることで、たわませる（変形させる）ことが可能であることが判明している。例えば、板状の回折光学素子の、側方周囲より応力を加えることで、回折光学素子を反らせ、一方の面は凹面とし、他方の面は凸面とすることが可能である。例えば、回折光学素子の中心部と端部との間で数十μｍの高低差（段差）が生じるように反らせることができる。例えば、プランジャーなどを駆動源とした締め付け装置を用いることで、回折光学素子を反らせることができる。このように回折光学素子を反らせることで、例えば、反射型回折光学素子に、凸面鏡や凹面鏡の機能を付加することが可能となる。
【００４９】
以上に説明したように、本発明によれば、回折光学素子を用いてレーザー光の照射分布をより広くするようにしたので、処理能力を落とすことなく、レーザー加工装置のヘッド部分をより軽量化および小型化することができる。
【００５０】
なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。
【符号の説明】
【００５１】
１０１…ヘッド部、１０１ａ…光入力部、１０１ｂ…出射部、１０２…回折光学素子、１０３…光源、１０４…光ファイバ、１０５…視準器、１２１…平行光、１２２…成形光、１３１…構造物、１３２…処理対象面。
【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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