JP2003285171A

JP2003285171A - レーザ除去加工装置、ハンディトーチ及びレーザ除去加工方法

Info

Publication number: JP2003285171A
Application number: JP2002087041A
Authority: JP
Inventors: Ryuichi Togawa; 隆一外川; Hiroshi Ito; 弘伊藤; Motohisa Abe; 素久阿部; Hajime Sato; 一佐藤; Hironobu Kimura; 博信木村; Yukimoto Okazaki; 幸基岡崎; Kiyoshi Kurosawa; 潔黒澤; Kazuomi Shirakawa; 和臣白川; Katsuaki Ohashi; 克明大橋
Original assignee: Toshiba Corp; Tokyo Electric Power Co Inc
Current assignee: Toshiba Corp; Tokyo Electric Power Co Holdings Inc
Priority date: 2002-03-26
Filing date: 2002-03-26
Publication date: 2003-10-07

Abstract

(57)【要約】【課題】金属製設備の酸化物を設備に損傷を与えること
なく、かつ、高い作業効率と装置運転効率で除去できる
レーザ除去加工装置を提供すること。【解決手段】レーザ光を発生させるためのレーザ発振器
２１と、レーザ発振器２１にその一端側が接続され、レ
ーザ光Ｌを伝送する光ファイバ３０と、光ファイバ３０
の他端側が接続されたハンディトーチ１００とを備え、
ハンディトーチ１００は、レーザ光Ｌの断面形状を矩形
に、かつ、強度分布を一定に成形して照射するためのシ
リンドリカルアレイレンズ１２３，１５２を備えてい
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、送電線鉄塔等の金
属性設備の表面に発生した酸化物等を除去するレーザ除
去装置、ハンディトーチ及びレーザ除去加工方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】送電線鉄塔等の屋外設置型の金属製設備
は、長年の風雨にさらされることにより、表面に酸化物
（錆）が発生する。従来、このような酸化物発生の進行
を止めるための対策として、金ブラシ等を使用して酸化
物を除去する方法がとられてきた。しかしながら、金ブ
ラシ等を用いた方法では、設備表面に酸化物が残留した
り、酸化物の除去と共に設備表面に損傷を与えてしまう
虞があった。

【０００３】このため、設備表面に損傷を与えることな
く、かつ、酸化物を良好に除去できる方法として、レー
ザ光を設備表面に照射する方法が知られている。例え
ば、レーザ発振器から光ファイバを介して出射されたレ
ーザ光を、作業者が持つハンディトーチに導入し、レン
ズで収束して設備表面に照射する方法がある。このよう
な場合、レーザ光の照射パターンは通常円形となる。

【０００４】この他、レーザ光を反射ミラーにより伝播
し、シリンドリカルレンズにより線状の照射パターンと
なるよう集光して照射する方法がある。この場合、照射
部分を線に垂直な方向に沿って移動させながら作業を行
う。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上述した金属製設備の
酸化物の除去方法であると次のような問題があった。す
なわち、ハンディトーチで除去作業を行う場合、円形の
照射パターンを重ねて除去していくことになるため、ト
ーチの移動距離が大きくなり、作業効率が悪いという問
題があった。また、線状の照射パターンとした場合に
は、移動距離は小さくなるものの、線方向に沿ってレー
ザ強度分布を有するため、位置によって除去性能が異な
ることから作業効率が悪いという問題があった。

【０００６】一方、屋外金属製設備では、位置や対象部
材の材質によって発生している酸化物の厚さが異なる場
合が多い。このため、除去に必要とされるレーザ照射強
度が異なる。レーザ出力を調整することにより照射強度
を変更できるようにした場合、レーザの最大出力時に、
最も厚さの大きい酸化物が除去できるように設定する。
しかしながら、厚さの小さい酸化物の場合には、レーザ
出力を下げて使用することになることから、装置運転効
率が下がるという問題があった。

【０００７】そこで本発明は、金属製設備の酸化物を設
備に損傷を与えることなく、かつ、高い作業効率と装置
運転効率で除去できるレーザ除去加工装置、ハンディト
ーチ及びレーザ除去加工方法を提供することを目的とし
ている。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決し目的を
達成するために、本発明のレーザ除去加工装置、ハンデ
ィトーチ及びレーザ除去加工方法は次のように構成され
ている。

【０００９】（１）金属製設備の表面に発生した酸化物
を除去するためのレーザ除去加工装置において、レーザ
光を発生させるためのレーザ発振器と、このレーザ発振
器にその一端側が接続され、レーザ光を伝送する光ファ
イバと、この光ファイバの他端側が接続されたハンディ
トーチとを備え、上記ハンディトーチは、上記レーザ光
の断面形状を矩形に、かつ、強度分布を一定に成形して
上記酸化物に照射するための成形光学系とを備えている
ことを特徴とする。

【００１０】（２）上記（１）に記載されたレーザ除去
加工装置であって、上記成形光学系は、対向配置された
一対のシリンドリカルアレイレンズを具備することを特
徴とする。

【００１１】（３）上記（２）に記載されたレーザ除去
加工方法であって、上記成形光学系は、上記一対のシリ
ンドリカルアレイレンズの間隔を変更する移動機構を具
備することを特徴とする。

【００１２】（４）上記（２）に記載されたレーザ除去
加工方法であって、上記成形光学系は、上記一対のシリ
ンドリカルアレイレンズを上記レーザ光の光軸回りに回
転させる回転機構を具備することを特徴とする。

【００１３】（５）金属製設備の表面に発生した酸化物
を除去するためのハンディトーチにおいて、導入された
レーザ光の断面形状を矩形に、かつ、強度分布を一定に
成形して上記酸化物に照射するための成形光学系を備え
ていることを特徴とする。

【００１４】（６）上記（５）に記載されたハンディト
ーチであって、上記成形光学系は、対向配置された一対
のシリンドリカルアレイレンズを具備することを特徴と
する。

【００１５】（７）レーザ光を光ファイバにより伝送
し、送電線鉄塔の表面に発生した酸化物に照射すること
により上記酸化物を除去するレーザ除去加工方法におい
て、光ファイバより出射されるレーザ光の断面形状を矩
形に、かつ、強度分布を一定に成形して上記酸化物に照
射する工程を備えていることを特徴とする。

【００１６】（８）上記（７）に記載されたレーザ除去
加工方法であって、上記成形工程は、上記レーザ光を対
向配置された一対のシリンドリカルアレイレンズを通過
させるものであることを特徴とする。

【００１７】（９）上記（７）に記載されたレーザ除去
加工方法であって、上記成形工程は、上記矩形の一辺の
長さを調整する長さ調整工程を具備することを特徴とす
る。

【００１８】（１０）上記（７）に記載されたレーザ除
去加工方法であって、上記成形工程は、上記矩形の向き
を調整する向き調整工程を具備することを特徴とする。

【００１９】

【発明の実施の形態】図１は本発明の一実施の形態に係
るレーザ除去加工装置１０の構成を示す図、図２はレー
ザ除去加工装置１０に組み込まれたハンディトーチ１０
０を示す縦断面図、図３はハンディトーチによる成型原
理を示す説明図、図４〜図６は照射方法及び照射領域調
整方法を示す説明図である。

【００２０】レーザ除去加工装置１０は、制御部２０
と、この制御部２０に光ファイバ３０及び制御ケーブル
４０を介して接続されたハンディトーチ１００とを備え
ている。なお、２００は金属製設備である鉄塔、３００
は作業車を示している。また、図中Ｌは成型前のレーザ
光、Ｌ′は分割されたレーザ光、Ｍは成型後のレーザ
光、Ｐは照射パターンを示している。さらに、Ｃはハン
ディトーチ１００の光軸、Ｔは酸化物を示している。

【００２１】制御部２０は、例えば、Ｎｄ−ＹＡＧレー
ザ発振器を用いたレーザ発振器２１と、レーザ発振器２
１を駆動させるための発電機２２と、発振されたレーザ
光Ｌを光ファイバ３０に入射させる入射レンズ２３とを
備えている。光ファイバ３０は、一端側から入力された
レーザ光Ｌを他端側に接続されたハンディトーチ１００
に伝送する機能を有している。

【００２２】ハンディトーチ１００は、図２中左側から
接続部１１０と、レンズホルダ１２０と、レンズ間隔調
整用リング１３０と、シリンドリカルレンズ回転用リン
グ１４０と、レンズホルダ１５０と、ノズル部１６０と
が一体に設けられている。また、レンズホルダ１５０に
はグリップハンド１７０が取り付けられている。

【００２３】接続部１１０は中空状に形成された接続部
本体１１１を有しており、図２中左端には光ファイバ３
０が接続されている。光ファイバ３０から導入されたレ
ーザ光Ｌはレンズホルダ１２０に案内される。

【００２４】レンズホルダ１２０には、円筒状のホルダ
本体１２１と、このホルダ本体１２１に支持されるとと
もに、レーザ光Ｌを平行光にするコリメータレンズ１２
２と、ホルダ本体１２１に支持されるとともに、円筒面
をもつシリンドリカルレンズを複数個並べた第１のシリ
ンドリカルアレイレンズ１２３とが設けられている。ホ
ルダ本体１２１の外周面にはネジ部１２１ａが設けられ
ている。

【００２５】レンズ間隔調整用リング１３０は、円筒状
に形成されたリング本体１３１と、シリンドリカルレン
ズ回転用リング１４０に対し光軸Ｃ回りに回転自在に保
持される回転支持部１３２とを備えている。リング本体
１３１の内周面にはネジ部１３１ａが設けられている。
このレンズ間隔調整用リング１３０を光軸Ｃ回りに回転
させることにより、ネジ部１３１ａと前述したネジ部１
２１ａとの螺合量が変化し、シリンドリカルアレイレン
ズ１２３，１５２の間隔を調整することができる。この
調整により、後述するようにレーザ光Ｍの照射パターン
Ｐの一辺の長さを変化させることができる。

【００２６】シリンドリカルレンズ回転用リング１４０
は、円筒状に形成されたリング本体１４１と、レンズ間
隔調整用リング１３０に対し光軸Ｃ回りに回転自在に支
持される回転支持部１４２と、レンズホルダ１５０に対
し光軸Ｃ回りに回転自在に支持される回転支持部１４３
とを備えている。このシリンドリカルレンズ回転用リン
グ１４０を光軸Ｃ回りに回転させることで、レンズホル
ダ１５０に対して、接続部１１０、レンズホルダ１２
０、レンズ間隔調整用リング１３０、シリンドリカルレ
ンズ回転用リング１４０が一体になって光軸Ｃ回りに回
転する。これにより、後述するようにレーザ光Ｍの照射
パターンＰの向きを変化させることができる。

【００２７】レンズホルダ１５０には、円筒状のホルダ
本体１５１と、このホルダ本体１５１に支持されるとと
もに、ホルダ本体１５１に支持されるとともに、円筒面
をもつシリンドリカルレンズを複数個並べた第２のシリ
ンドリカルアレイレンズ１５２と、ホルダ本体１５１に
支持される集光レンズ１５３が設けられている。ホルダ
本体１５１の図２中左端にはシリンドリカルレンズ回転
用リング１４０に対し光軸Ｃ回りに回転自在に支持され
る回転支持部１５４が設けられている。

【００２８】ノズル部１６０は中空状に形成されたノズ
ル本体１６１を有しており、図２中右端が開口してい
る。ノズル本体１６１は、照射領域からの散乱光を遮蔽
すると共に、ハンディトーチ１００の操作時に焦点距離
を所定距離に確保する機能を有している。

【００２９】グリップハンド１７０は、グリップ本体１
７１と、このグリップ本体１７１の図２中右側面に設け
られ、照射をＯＮ・ＯＦＦするためのレーザ照射スイッ
チ１７２とを備えている。なお、レーザ照射スイッチ１
７２は制御ケーブル４０を介してレーザ発振器２１に接
続されている。

【００３０】次に、レーザ光Ｌの成型原理について説明
する。図３に示すように、光ファイバ３０から出射され
た円形の断面を持つレーザ光Ｌは、コリメータレンズ１
２２により平行光とされた後、第１のシリンドリカルア
レイレンズ１２３により分割され、分割レーザ光Ｌ′と
なる。分割レーザ光Ｌ′はそれぞれが第２のシリンドリ
カルアレイレンズ１５２と集光レンズ１５３により長方
形に成形されるとともに重畳されて、長方形で、かつ、
強度分布が一定のレーザ光Ｍとなって照射される。

【００３１】このように構成されたレーザ除去加工装置
１０を用いて、次のようにして金属製設備に発生した酸
化物Ｔを除去する。すなわち、作業車３００を予め鉄塔
２００の近傍に移動させる。次に、作業者がハンディト
ーチ１００を持ち、ノズル部１６０の先端を酸化物Ｔに
近付ける。

【００３２】次に、図４の（ａ）に示すように、レーザ
照射スイッチ１７２をＯＮとして、レーザ発振器２１か
らレーザ光Ｌを発生させる。レーザ光Ｌは成型されてレ
ーザ光Ｍとなり、図４の（ｂ）に示すように、照射パタ
ーンＰで酸化物Ｔ上に照射する。そして、矢印α方向に
沿って往復動させ、酸化物Ｔの表面にレーザ光Ｍを一様
に照射する。

【００３３】次に、照射パターンＰの一辺の長さの長さ
調整方法について説明する。図５の（ａ）に示すよう
に、ハンディトーチ１００のレンズ間隔調整用リング１
３０を光軸Ｃ回りに回転させることにより、レンズホル
ダ１２０を光軸Ｃ方向に沿って移動させ、第１のシリン
ドリカルアレイレンズ１２３と第２のシリンドリカルア
レイレンズ１５２との間隔を調整する。そして、例え
ば、図５の（ｂ）に示すような照射パターンＰで酸化物
Ｔ上に照射する。そして、矢印α方向に沿って往復動さ
せ、酸化物Ｔの表面にレーザ光Ｍを一様に照射する。な
お、レーザ光Ｌの強度は一定であるため、レーザ光Ｍの
単位面積当たりの強度は大きくなり、より厚さの大きな
酸化物Ｔを除去することができる。

【００３４】次に、照射パターンＰの向きを調整する方
法について説明する。図６の（ａ）に示すように、シリ
ンドリカルレンズ回転用リング１４０を光軸Ｃ回りに矢
印Ｒ方向に９０°回転させることで、コリメータレンズ
１２２、第１のシリンドリカルアレイレンズ１２３、第
２のシリンドリカルアレイレンズ１５２、集光レンズ１
５３を光軸Ｃ回りに９０°回転できる。これにより、図
６の（ｂ）に示すように、照射パターンＰの向きを変え
ることができる。酸化物Ｔや鉄塔の構造に応じて、照射
パターンＰの往復動方向を変えたい場合に、ハンディト
ーチ１００の全体の向きを変えることなく、移動方向を
変更することができるため、作業効率を向上させること
ができる。

【００３５】（実施例）レーザ発振器２１として、パル
ス発振をするＮｄ−ＹＡＧレーザ発振器を用い、パルス
繰り返し数を１０ｋＨｚ、平均出力を３００Ｗとした場
合、で発振されたレーザ光Ｌを長さ５０ｍ、コア径０.
６ｍｍの石英製の光ファイバ３０の片端より入射、伝送
し、先端に接続したハンディトーチ１００に導入した。
ハンディトーチ１００においてレーザ光Ｌは断面形状が
長方形のレーザ光Ｍに成型され、ＳＳ４００材表面に発
生した赤錆に照射した。

【００３６】シリンドリカルアレイレンズ１２３，１５
２の間隔を最も小さく設定した場合、照射されるレーザ
光の断面形状は１０ｍｍ×０.６ｍｍの長方形であり、
照射強度は４００ｍＪ／ｃｍ^２であった。約１２０ｍ
ｍ／ｓの速度でハンディトーチ１００を図４中矢印α方
向に移動させ、平均約３０μｍ厚さの赤錆を、母材に損
傷を与えることなく除去することができた。

【００３７】また、シリンドリカルアレイレンズ１２
３，１５２の間隔を最も大きく設定した場合、照射され
るレーザ光の断面形状は約２ｍｍ×０.６ｍｍの長方形
であり、照射強度は約２０００ｍJ／ｃｍ^２であっ
た。約２０ｍｍ／ｓの速度でハンディトーチ１００を移
動させ、平均厚さ約８０μｍの赤錆を、母材に損傷を与
えることなく除去することができた。

【００３８】上述したように本実施の形態に係るレーザ
除去加工装置１０によれば、一対のシリンドリカルアレ
イレンズ１２３，１５２により、断面形状が長方形で、
かつ、照射強度分布が一定のレーザ光Ｍを成型すること
ができる。このため、同一面積の円形断面の場合よりも
ハンディトーチ１００の移動距離を少なくすることがで
き、除去作業を効率よく行うことができる。その結果と
して設備に損傷を与えることなく均一な除去加工が可能
である。

【００３９】また、一対のシリンドリカルアレイレンズ
１２３，１５２の間隔を変更することが可能であるた
め、照射パターンＰの一辺の長さを連続的に変更するこ
とが可能である。これに伴い、レーザ発振器２１の出力
を一定にしたままレーザ照射強度(フルエンス)を変更す
ることができ、レーザ発振器２１の運転効率を高めるこ
とができる。さらに、一対のシリンドリカルアレイレン
ズ１２３，１５２を光軸Ｃ回りに回転することができる
ので、照射パターンＰの向きを変更することが可能とな
る。これにより、送電線鉄塔の各部材の多様な形状に対
応して照射パターンＰの方向を変更することにより、ハ
ンディトーチ１００の向きを変更することなくハンディ
トーチ１００の移動方向を変更することができ、高い作
業効率が得られる。

【００４０】なお、本発明は上記実施の形態に限定され
るものではない。すなわち、上述した実施の形態では、
金属製設備として鉄塔を例示したが、他の金属製設備に
用いても良い。この他、本発明の要旨を逸脱しない範囲
で種々変形実施可能であるのは勿論である。

【００４１】

【発明の効果】本発明によれば、金属製設備の酸化物を
設備に損傷を与えることなく、かつ、高い作業効率と装
置運転効率で除去することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態に係るレーザ除去加工装
置の構成を示す図。

【図２】同レーザ除去加工装置に組み込まれたハンディ
トーチを示す縦断面図。

【図３】同ハンディトーチによるレーザ光の成型の原理
を示す説明図。

【図４】同ハンディトーチによる照射方法を示す説明
図。

【図５】同ハンディトーチによる照射パターンの一辺の
長さを調整する原理を示す説明図。

【図６】同ハンディトーチによる照射パターンの向きを
調整する原理を示す説明図。

【符号の説明】

１０…レーザ除去加工装置２０…制御部３０…光ファイバ４０…制御ケーブル１００…ハンディトーチ１２０…レンズホルダ１２２…コリメータレンズ１２３…第１のシリンドリカルアレイレンズ１３０…レンズ間隔調整用リング１４０…シリンドリカルレンズ回転用リング１５０…レンズホルダ１５２…第２のシリンドリカルアレイレンズ１５３…集光レンズ１６０…ノズル部

───────────────────────────────────────────────────── 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）Ｇ０２Ｂ 3/00 Ｇ０２Ｂ 3/00 Ａ 3/06 3/06 Ｈ０１Ｓ 3/00 Ｈ０１Ｓ 3/00 Ｂ (72)発明者伊藤弘神奈川県横浜市磯子区新磯子町33番地株式会社東芝生産技術センター内 (72)発明者阿部素久神奈川県横浜市磯子区新杉田町８番地株式会社東芝横浜事業所内 (72)発明者佐藤一神奈川県横浜市磯子区新杉田町８番地株式会社東芝横浜事業所内 (72)発明者木村博信神奈川県横浜市磯子区新杉田町８番地株式会社東芝横浜事業所内 (72)発明者岡崎幸基神奈川県横浜市磯子区新杉田町８番地株式会社東芝横浜事業所内 (72)発明者黒澤潔神奈川県横浜市鶴見区江ヶ崎町４番１号東京電力株式会社電力技術研究所内 (72)発明者白川和臣神奈川県横浜市鶴見区江ヶ崎町４番１号東京電力株式会社電力技術研究所内 (72)発明者大橋克明神奈川県横浜市鶴見区江ヶ崎町４番１号東京電力株式会社電力技術研究所内Ｆターム(参考） 4E068 AH00 CD05 CD12 CD15 CE08 DA00 4K053 PA02 PA11 QA01 SA01 SA20 XA50 YA30 5F072 AB02 JJ08 SS10 YY06

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】金属製設備の表面に発生した酸化物を除去
するためのレーザ除去加工装置において、レーザ光を発生させるためのレーザ発振器と、このレーザ発振器にその一端側が接続され、レーザ光を
伝送する光ファイバと、この光ファイバの他端側が接続されたハンディトーチと
を備え、上記ハンディトーチは、上記レーザ光の断面形状を矩形
に、かつ、強度分布を一定に成形して上記酸化物に照射
するための成形光学系とを備えていることを特徴とする
レーザ除去加工装置。
【請求項２】上記成形光学系は、対向配置された一対の
シリンドリカルアレイレンズを具備することを特徴とす
る請求項１記載のレーザ除去加工装置。
【請求項３】上記成形光学系は、上記一対のシリンドリ
カルアレイレンズの間隔を変更する移動機構を具備する
ことを特徴とする請求項２記載のレーザ除去加工装置。
【請求項４】上記成形光学系は、上記一対のシリンドリ
カルアレイレンズを上記レーザ光の光軸回りに回転させ
る回転機構を具備することを特徴とする請求項２記載の
レーザ除去加工装置。
【請求項５】金属製設備の表面に発生した酸化物を除去
するためのハンディトーチにおいて、導入されたレーザ光の断面形状を矩形に、かつ、強度分
布を一定に成形して上記酸化物に照射するための成形光
学系を備えていることを特徴とするハンディトーチ。
【請求項６】上記成形光学系は、対向配置された一対の
シリンドリカルアレイレンズを具備することを特徴とす
る請求項５記載のハンディトーチ。
【請求項７】レーザ光を光ファイバにより伝送し、送電
線鉄塔の表面に発生した酸化物に照射することにより上
記酸化物を除去するレーザ除去加工方法において、光フ
ァイバより出射されるレーザ光の断面形状を矩形に、か
つ、強度分布を一定に成形して上記酸化物に照射する工
程を備えていることを特徴とするレーザ除去加工方法。
【請求項８】上記成形工程は、上記レーザ光を対向配置
された一対のシリンドリカルアレイレンズを通過させる
ものであることを特徴とする請求項７に記載のレーザ除
去加工方法。
【請求項９】上記成形工程は、上記矩形の一辺の長さを
調整する長さ調整工程を具備することを特徴とする請求
項７に記載のレーザ除去加工方法。
【請求項１０】上記成形工程は、上記矩形の向きを調整
する向き調整工程を具備することを特徴とする請求項７
に記載のレーザ除去加工方法。