技術紹介

レーザ洗浄技術の適用拡大
松坂文夫 *1

Matsuzaka Fumio

非接触洗浄装置「レーザクリア ®」の技術、製品、適用事例について紹介する。レーザによる非接触洗浄技術の概要、洗浄の原理および特長について解説し、環境負荷が低く、取り扱いが簡便で、自動化にも適した洗浄技術であることを示す。
キーワード：レーザ洗浄、ドライプロセス、環境改善、低ダメージ

1. はじめに洗浄技術は、多くの分野と適用対象に必要とされる幅広い技術であり、さまざまな方法が用途に応じて実用化されている。
その中で、レーザ洗浄は、近年実用化された新しい技術であり、非接触での処理を特長とする。
図 1 に当社で開発した非接触洗浄装置レーザク
リア ®「LF-100」の外観を示す。レーザ洗浄は、以下に示すような幅広い業種や用途に適用可能である。
せい① 橋梁：塗装剥離・除錆② 自動車：溶接前後処理、金型洗浄、酸化膜除去、塗装剥離

図1

レーザクリア ®「LF-100」外観③ 原子力：火力タービンの洗浄、除染④ 航空機：部品洗浄、塗装剥離

レーザ洗浄は、加工原理となるレーザアブレー⑤ 食品：ベーキングプレートなどの油脂・焦げションが多種多様な材質に作用できることで幅広

ざんし

残滓の洗浄い分野に適用可能であるが、一方で各用途におい⑥ 電力：鉄塔のメンテナンス（除錆など）て最適な洗浄品質を得るためには用途に応じた施⑦ 半導体製造：IC パッケージ金型の洗浄、パー工法の確立が必要である。

ティクル除去例えば、①橋梁の塗装剥離においては、表面粗⑧ 文化財・美術品：さびなどコンタミ層の除去

さより除去速度を重視する性能が求められるが、⑨ 産業機械：板金加工（局所塗膜剥離）②自動車の金型洗浄などでは洗浄後の表面粗さの*1：機器装置事業部

企画・開発部

主幹—40—

維持が重視されるため、レーザ照射仕様は異な① レーザ光を材料（表面層 / 母材）に照射じんる。また膜厚の厚い塗装剥離のように発塵量が多② 表面から電子を放出、プラズマ発生い対象の場合は、集塵機能が不可欠となる。さら③ プラズマ輻射により加熱・材料溶融気化に、③の原子力においては周辺への粉塵拡散の防④ プラズマ圧力が上昇止が重要な技術となる。

⑤ プラズマ圧力により溶融材料が拡散ふくしゃ

本稿では、レーザ洗浄を各用途に適用を拡大す

このプロセスでは、対象物質がレーザ光を吸収る際に重要となる技術のうち、レーザ整形技術にした結果、沸点に達し気体となり飛散するのではついて紹介する。

なく、レーザ誘起による材料蒸気プラズマが、加はじめにレーザ洗浄技術について 2 章で概略を熱と除去の働きを担うことを示している。対象物

紹介し、4 章でレーザ整形技術の解説、適用の効

質は沸点まで加熱される必要はなく、プラズマ圧果について述べる。

力が物質の剛性に勝り変形に至れば、固体または液体の状態で除去されうることを示す。

2. レーザ洗浄の原理・特長

一 例 と し て、SS400 な ど の 鉄 鋼 材 料 の 融 点 は

2.1 レーザ洗浄の原理

1550℃程度であるが、500℃では剛性（降伏力）がレーザ洗浄の原理の模式図を図 2 に示す。

常温の半分程度まで下がり、力学的溶融温度域

図 2 は、洗浄対象（母材）の表面に、汚染物質な（おおむね 850 ～ 950℃以上）でほぼ失われるため、ど（表面層）が付着している状態を示す。ここに強融点以下でもプラズマ圧力が降伏力を上回れば、いレーザ光を照射すると、「レーザアブレーショ除去することが可能となる。
図 3 にレーザ洗浄の状況を高速度カメラで撮影ン」と呼ばれる現象が生じる。
この現象は、レーザ照射により除去対象となるした例を示す。図 3 では、照射近傍が発光しプラ表面層が蒸散して生成されるプラズマの作用が高ズマ化したガスとともに表面の物質が粒子となっ速かつ複雑に絡み合いながら進行する現象で、て噴き上がる様子が観察される。これは、固体まレーザ波長や照射時間、エネルギー、対象物質のたは液体にて分離された表面の物質がプラズマの違いによりさまざまな様相を見せる。

圧力により拡散するプロセスを示している。

レーザクリア ® において、この現象は以下のプ（1）

ロセスを踏むとされる 。

レーザレーザ洗浄の原理
瞬時に表面層が蒸散（アブレーション）し、プラズマの圧力で取り去られます。
表面層

照射位置
蒸散材料蒸気プラズマ

母材

矢印方向へ走査
図2

レーザ洗浄の原理

模式図

—41—

図3

レーザ洗浄の高速度カメラ撮影例

IIC REVIEW/2023/04. No.69

2.2 レーザ洗浄の施工条件

レーザ洗浄では、出力制御性が高く、さらに精図 2 に示す「表面層」は、除去対象となる汚染密な非接触による位置制御が可能なため、EL の設物、酸化物、塗装膜などに相当するが、レーザ洗定は比較的容易である。しかしながら、上記のよ浄においては表面層のみを選択的に除去する必要

うにアブレーションは材質とレーザ、プラズマがある。

が、動的に相互作用する現象のため、施工を最適
しきい

そのためには、アブレーション閾 値のエネル化するためにはエネルギー以外にもレーザの集光ギーを式（1）に示す場合、レーザ光のエネルギー条件や環境条件などの整備も重要となる。3 章でEL は式（2）の範囲に制御する必要がある。

は、レーザクリア ® の仕様について簡単に触れた（1）

Ec < Es

後、レーザ洗浄を支える技術としてレーザ整形技術について紹介する。

Ec：表面付着物のアブレーション閾値Es：母材のアブレーション閾値

3. レーザクリア ® の仕様（2）

Ec < EL < Es®
レーザクリア 「LF-100」
仕様一覧を表 1 に示す。

なお、式（3）の条件では、表面層とともに母材もアブレーションされるため、表面層のみを洗浄

レーザクリア ® では、レーザ光源として最大平することが難しくなる。ただし表面層と母材の境均出力 100W の Q スイッチパルスファイバーレー界面の結合力が弱い場合は、表面層のみをはがすザを用いている。このファイバーレーザは、小型ように洗浄できる場合がある。

軽量ながら大出力であり、さらにファイバー伝送（3）（※ 1）を持つこの限界に近い集光性能（M2 < 1.6）式（1）を満たす条件でも、閾値が表面層と母材とが特徴である。この集光性能は、式（2）に示すで近接する場合は EL の設定可能範囲が狭く、精密レーザ光のエネルギー EL は小面積に集光可能でな制御を要する。

あるほど高い数値を実現できるため、アブレー

Es < Ec

表1レーザクリア ®「LF-100」仕様

レーザ種類

ファイバーレーザ クラス 4

レーザ波長1,085 ～ 1,095nm

発振モード

Q スイッチパルス

レーザ平均出力

0 ～ 100W

レーザ繰り返し周波数

100 ～ 200kHz

スキャン幅

0 ～ 100mm（標準レンズ使用時）

スキャン周波数0 ～ 300Hz

ダイオード寿命

10,000 時間（期待値）

重量

47kg（照射ヘッド：2.4kg は含まず）

サイズ
本体 / 照射ヘッド

W642mm × D465mm × H990mm（車輪含む）/W104mm × D370mm × H57mm

電源

50/60Hz AC100V 15A（ 最大消費電力 1.5kW）

冷却方式

空冷

動作環境条件動作温度範囲：+5 ～ +35℃
動作湿度範囲：75％ RH 以下（ただし結露なきこと）
動作雰囲気 ：オイルミスト、粉塵、腐食性および可燃性ガスのなきこと—42—

ション閾値 Ec の高い材質など、広い適用対象にElement：DoE）に着目した。これは、光の干渉性を対応可能であることを示す。

用いて光分岐や、強度分布変調が可能な素子で、※ 1： M2 とはレーザの集光性（ビーム品質）をガラス上に微細な凹凸パターンを形成し作製す表す指標。最も集光性の良い TEM00 モーる。これにより逆フーリエ変換による自由度の高ドのレーザとの集光面積の比率。

いパターン形成が可能となる。
レーザクリア ® では、DoE をエネルギー強度の4. レーザ整形技術調整に用い、種々の光分岐による分岐パターンを4.1 原理利用している。一例として図 4 に直線状 5 分岐、TEM00 モードと呼ばれる光強度の空間分布を持

格子状 4 分岐、6 分岐の例を示す。

つレーザ光は、最も集光性が良いため、その比率分岐パターンは、自由度が高く、100 分岐以上（M2）が集光性能の指標となる。レーザクリア ® のの多分岐や、ここに示す以外の 2 次元配列が可能

出力はこのモードではないものの、近似した性質である。分岐した各ビームは元のレーザ光と同じ（M2 < 1.6）であり、高い集光性により高いエネル空間分布を再現し、エネルギー配分も均等になるギーの照射が可能である。一方で、式（2）に示す

ので、均一性が高く断面積の大きい照射が可能とレーザ光のエネルギー（EL ）は対象物質により決まなる。

るので、エネルギーを調整する機能を備える必要4.2 レーザ洗浄への応用がある。レーザクリア ® は、出力を 1W 単位で簡単に調整可能ではあるが、出力条件によってはレーザクリア ® では、用途により、分岐数やパレーザクリア ® の能力をより活用するため、さらターンを適切に選択することで高効率かつ高品質なる調整が必要となる。ここでの調整では、集光なレーザ洗浄を可能としている。

レンズの焦点距離の変更も有効であるが、その方4.2.1 洗浄効率の向上

法だけでは選択肢が少ないのが問題である。
本開発では、より柔軟にエネルギー強度を調整す

4.1 節で触れたように、母材を除去することなくる手 段として、回 折 光 学 素 子（Diffractive Optical

表面層の汚染物などを除去するためには、式（2）図4DoE を用いたビーム分岐例—43—

IIC REVIEW/2023/04. No.69

に示すエネルギー条件への調整が必要である。このめ、SUS304 を式（2）の条件で施工するためには、調整では、DoE を活用すれば洗浄の効率化を図れ

平均出力 20W の照射条件に近い、エネルギー密度る。例えば、調整条件として平均出力 4W、200kHz、9mJ/mm2 程度に制御するのが適切となる。一例と集光径 50mm（1 パルス当たりのエネルギー密度はして、（b）で用いた 6 分岐光強度測定画像を（c）に、10.2mJ/mm ）で表面層の塗装が除去可能とする。

（d）はこれを感熱紙上に横方向に走査しながら照この同一対象を 5W で処理した際に母材側に除去射した除去痕（照射痕）を示す。

2痕（照射痕）が残るケースを、分岐数 20 の DoE を4.2.2 高速洗浄への対応使用することで、調整条件平均出力 100W の照射でも母材に除去痕を残さずに洗浄可能となる。そレーザクリア ® は、ガルバノスキャナによりレーして平均出力を大きくした洗浄を可能とすることザを走査することで面を洗浄する。しかし、DoEで高速な（この場合では 20 倍の）処理が可能となにより照射断面積が図 5（c）のようになると、（d）る。

で示されるように 1 走査あたりの除去幅を広くとることができる。

DoE による除去痕（照射痕）抑制の効果の一例を
図 5 に示す。図 5（a）（b）は、鏡面研磨した SUS304

ガルバノスキャナは、モータを反転動作させな（a）は DoE な材にレーザクリア ® を照射した例で、がら走査を行うため、おおむね 100 ～ 300Hz 程度

しで平均出力 100W、（b）は 6 分岐 DoE を使用し平の走査周波数である。レーザクリア ® による洗浄

均出力 20W の照射を示す。
（a）（b）とも SUS 材のでは、走査方向と直角に照射位置を移動させて面表面を除去できるが、DoE を使用した（b）では除を施工するが、その速度は走査速度と照射幅の積去痕は確認できない。なお、ここには示さないが、で制限されるので、DoE により照射幅を広くとれ

平均出力 30W の条件では除去痕が見えてくるた

れば除去速度の高速化が可能となる。

（a）DoE なし照射で、照射痕の残る例（b）DoE あり（6 分岐）照射痕抑制例

（c）DoE 6 分岐の光強度分布

図5（d）照射痕例（感熱紙上に照射）
DoE の効果および分岐パターン—

44—

例えば同一速度による洗浄処理を必要とする製スキャンなしで処理することが可能となる。例え造ライン上では、高速化への対応が重要となる。

ば、直径 1.5mm の線材の場合は 30 分岐で直径分

幅 50mm の対象物の洗浄ラインにレーザクリア ®の照射が可能となる。この場合は、ガルバノスを組み込む場合、焦点距離 160mm レンズ（照射径キャンがないため、100m/min 程度の速度まで対応50mm）を使用した時の最大洗浄速度は DoE なしでできる。

300mm/min 程度が限界であるが、分岐数を 5 分岐5. おわりにとすれば 5 倍の 1,500mm/min の速度への対応も可「レーザクリア ®」は、工場での自動化、現場で能となる。
高いパルスエネルギーを必要とする対象では制の環境改善などに貢献するレーザ洗浄装置であ限はあるが、分岐による施工はレーザクリア ® のり、レーザ整形技術を組み合わせることにより幅高いエネルギー強度を有効に生かす手段となるも広い対象に効率良く洗浄能力を発揮することがでのと期待できる。

きる。今後、多くの分野、用途で幅広く効率的な洗浄装置として「レーザクリア ®」をご活用いただ

DoE による高速ラインへの適用が期待される対ければ幸いである。

象としては、線材の洗浄がある。線材圧延後の酸化膜除去や被覆除去などを行う際は、線材の射出

参考文献

速度は 10m/min 以上となる場合があり、これはガルバノスキャンでは処理できない速度である。一（1） 矢部孝：レーザーアブレーションプラズマの方で線材では洗浄幅は多くの場合数 mm 以下なの

膨張・冷却過程、プラズマ・核融合学会誌、で、DoE による分岐で洗浄幅を大きくすることで79 巻、11 号、2003、pp.1160-1168

機器装置事業部
企画・開発部主幹

松坂 文夫
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FAX. 045-791-3538—45—

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