JP2615362B2

JP2615362B2 - レーザによる表面付着物の除去方法及び装置

Info

Publication number: JP2615362B2
Application number: JP6016181A
Authority: JP
Inventors: 英夫田代; 明良常見
Original assignee: RIKEN Institute of Physical and Chemical Research
Current assignee: RIKEN Institute of Physical and Chemical Research
Priority date: 1994-02-10
Filing date: 1994-02-10
Publication date: 1997-05-28
Anticipated expiration: 2012-05-28
Also published as: JPH07225300A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、原子力施設や航空機等
の機器表面に形成された酸化物、塗料等の付着物を機器
に損傷を与えず、かつ付着物の飛散を防いで除去するレ
ーザによる表面付着物の除去方法及び装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】原子力発電所等の放射線を扱う原子力施
設では、放射線に晒された機器の表面に薄い放射性酸化
物の膜が形成されることがあり、機器の長期使用のため
及び廃棄の際にこの膜を安全に除去する必要がある。ま
た、航空機や船舶では表面の塗装を定期的に除去して、
再塗装により防食や光沢を維持する必要がある。更に、
建築物では、レンガやコンクリートの壁面に付着した汚
れや苔を除去してその美観を維持する必要がある。

【０００３】かかる酸化物（錆）、塗料、汚れ、苔等
（以下、表面付着物という）の除去には、従来、こすり
とるなどの物理的手段、または溶剤で溶かして洗い流す
化学的手段が一般的に行われていた。すなわち、建造物
の壁面などはタワシやブラシなどでこすり取り、酸化物
（錆）や塗装は錆落とし剤や有機溶剤に浸すことによっ
て表面を溶かすという手段が取られてきた。しかし、か
かる物理的手段には、作業員が危険な放射性物質に晒さ
れる、作業が過酷でコストがかかる、付着物が散乱しや
すく再汚染のおそれがある、表面の付着物だけを取り除
こうとしても母材を同時に傷つけてしまうことが多い、
等の問題点があった。また溶剤などを用いた化学的手段
では、基本的に一度に大量の処理を行うことができる
が、薬品の処理に大型の施設が必要となり、かつ汎用性
に乏しい等の問題点があった。

【０００４】かかる問題点を解決するため、従来からレ
ーザ光を用いた種々の表面付着物の除去手段が提案され
ている（例えば、特開昭６３−２４１３９９号公報、特
開平４−１６８４００号公報、特開平４−２８９５００
号公報）。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記の先行手
段はいずれも、レーザ光としてＹＡＧレーザ等の高出力
連続レーザを用いており、照射により表面付着物を除去
することができるが、付着物が除去された機器にレー
ザ光が照射され、機器自体にも損傷を与えるおそれがあ
る問題点があった。また、上記の先行手段はいずれも、
レーザ光をレンズ等で集光して被処理面に垂直に当てて
おり、除去された付着物が飛散してレンズ等の表面に
付着し、レンズ等を汚染或いは損傷させるおそれがある
問題点があり、かつ付着物が散乱し再汚染しやすい問
題点があった。更に、上記の先行手段はいずれも、レー
ザ光の照射のみで表面付着物を除去するが、表面付着
物によっては、レーザ光だけでは十分除去できない問題
点があった。

【０００６】本発明は上述した問題点を解決するために
創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、機
器自体に損傷を与えることなく表面付着物を除去するこ
とができ、除去された付着物がレンズ等に付着しにく
く、付着物を効率よく回収することができ再汚染のおそ
れが少なく、レーザ光だけでは除去できない表面付着物
にも適用できる、レーザによる表面付着物の除去方法及
び装置を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、表面付
着物を有する被処理材に対してパルスレーザ光を斜めに
照射し、かつ該パルスレーザ光を線状焦点に集光し、該
線状焦点に対して直交する方向に表面付着物を相対移動
させ、表面付着物をアブレーションにより被処理面に直
交する方向に飛散させ、被処理面に直交する位置に設け
た吸引口から表面付着物を吸引除去する、ことを特徴と
するレーザによる表面付着物の除去方法が提供される。

【０００８】また、本発明によれば、パルスレーザ光を
発生させるレーザ発振器と、該パルスレーザ光を表面付
着物を有する被処理材に対して斜めに照射し、かつ線状
焦点に集光するレンズ系と、該線状焦点に対して直交す
る方向に表面付着物を相対移動させてレーザ光を表面付
着物に照射する移動装置と、被処理面に直交する位置に
吸引口を有する吸引器と、を備え、これにより、表面付
着物をアブレーションにより被処理面に直交する方向に
飛散させ、吸引口から表面付着物を吸引除去することを
特徴とするレーザによる表面付着物の除去装置が提供さ
れる。

【０００９】本発明の好ましい実施例によれば、前記レ
ーザ発振器は、ＣＯ₂レーザ発振器であり、前記パルス
レーザ光は、少なくとも４０ｐｐｓ以上の繰り返しパル
ス光である。更に前記パルスレーザ光は、約１０００ｐ
ｐｓの高繰り返しパルス光であるのが好ましい。また、
前記レンズ系は、円筒面を有するシリンドリカルレンズ
である、ことが好ましい。

【００１０】更に、本発明によれば、レーザ光の照射前
に表面付着物に除去促進液を付加する除去促進器を備
え、該除去促進液は、水，洗剤、錆落とし剤、又は有機
溶剤であり、除去促進器は除去促進液を噴霧するように
構成された噴霧器であり、これにより、表面付着物の分
離を促進して除去する、ことが好ましい。

【００１１】

【作用】従来の手段が、物質の表面をこする、剥がす、
溶かすというものであるのに対し、本発明の手段は、高
出力なパルスレーザ光を表面に照射して、いわば付着物
のみを気化させることにより、除去を行うものである。
また、パルスレーザ光を高繰り返し発振させ、レーザ光
を線状焦点に集光し、表面付着物を有する機器を線状焦
点に対して横方向に移動（掃引）することにより高速処
理を行う。また、除去された物質（付着物）は、吸引器
により回収する。

【００１２】連続発振型のレーザと異なり、パルスレー
ザ光を表面付着物に照射すると、レーザ光のエネルギー
は表面付着物内で吸収され、熱エネルギーに変化する。
このとき、エネルギーを吸収した付着物はプラズマ化
し、その母材から飛びだしていく。かかる現象は、アブ
レーション（溶撥）として知られている。表面付着物に
対して機器を構成する金属やレンガ等の母材をプラズマ
化するエネルギー（エネルギーのしきい値）は非常に高
いため、パルスレーザ光の出力を適切に調節することに
より母材に損傷を与えることなく表面付着物のみをアブ
レーションにより除去することができる。本発明はかか
る新規の知見に基づくものである。

【００１３】すなわち、上記本発明の方法及び装置によ
れば、レーザ発振器によりパルスレーザ光を発生させ、
レンズ系によりパルスレーザ光を線状焦点に集光し、移
動装置により線状焦点に対して直交する方向に表面付着
物を相対移動させてレーザ光を表面付着物に照射するこ
とにより、機器自体に損傷を与えることなく広い面積の
表面付着物をアブレーションにより除去することができ
る。

【００１４】また、アブレーションにより付着物の飛び
だす方向は、レーザ光の照射角度に関係なく母材表面に
垂直方向であることが実験で確認されたため、表面付着
物に対して斜めにレーザ光を集光するレンズ系と、表面
付着物に対して直交する位置に吸引口を有する吸引器と
を備えることにより、除去された付着物がレンズ等に付
着しにくく、かつ付着物を効率よく回収することがで
き、再汚染のおそれを最小限に低減することができる。

【００１５】更に、レーザ光の照射前又は照射中に表面
付着物に適当な除去促進液を付加しておくことにより表
面付着物が効率的に除去できることが実験で確認され
た。すなわち、レーザ光を照射する前に表面付着物に除
去促進液を付加する除去促進器を備えることにより、レ
ーザ光だけでは除去できない表面付着物であっても効率
的に除去することができる。

【００１６】

【実施例】以下、本発明の好ましい実施例を図面を参照
して説明する。なお、各図において共通する部分には同
一の符号を付して使用する。図１は、レーザによる従来
の表面付着物の除去装置を示す全体構成図である。この
図において、除去装置１０は、パルスレーザ光１を発生
させるレーザ発振器１２と、パルスレーザ光１を線状焦
点２に集光するレンズ系１４と、線状焦点２に対して直
交する方向に表面付着物３を相対移動させてレーザ光を
表面付着物３に照射する移動装置１６と、を備えてい
る。図１において、レーザ発振器１２は、ＣＯ₂レーザ
発振器である。パルスレーザ光は、少なくとも４０ｐｐ
ｓ以上の繰り返しパルス光であり、特に約１０００ｐｐ
ｓの高繰り返しパルス光であるのが好ましい。また、レ
ンズ系１４は、円筒面を有するシリンドリカルレンズで
あるのがよい。

【００１７】更に、この図において１５は反射ミラーで
あり、パルスレーザ光１の光路を調整する役割を果して
いる。なお、図１では、移動装置１６により表面付着物
３を横移動させるように構成されているが、逆に表面付
着物３に対して線状焦点２が移動するように、レーザ発
振器１２、レンズ系１４、ミラー１５等を構成してもよ
い。

【００１８】かかる構成により、連続発振型のレーザと
異なり、パルスレーザ光１を表面付着物３に照射する
と、レーザ光のエネルギーは表面付着物３内で吸収さ
れ、熱エネルギーに変化して付着物をプラズマ化し、表
面付着物のみをアブレーション（溶撥）により除去する
ことができる。すなわち、表面付着物に対して機器を構
成する金属やレンガ等の母材をプラズマ化するエネルギ
ー（エネルギーのしきい値）は非常に高いため、パルス
レーザ光の出力を適切に調節することにより母材に損傷
を与えることなく表面付着物のみがアブレーションによ
り除去される。また、反射ミラー１５を用いてパルスレ
ーザ光１を長距離伝搬させることにより人間が入り込む
ことができないような狭いところや危険なところでも遠
隔操作により表面除去することができる。

【００１９】以下に図１に示した装置による試験結果を
説明する。この試験では、レーザ発振器１２として、繰
り返し速度１ｋｐｐｓのＴＥＡ−ＣＯ₂レーザを用い
た。また、レンズ系１４として焦点距離２０ｃｍのシリ
ンドリカルレンズを用い、レーザ発振器１２から出てき
た光を、線状焦点２に集光した。図１（Ｂ）の囲み内
は、線状焦点２におけるビーム形状を示している。レー
ザ発振器１２で発生させたパルスレーザ光１の断面形状
は長さ約２０ｍｍの繭形であり、図１（Ｂ）から明らか
なように、集光したビーム形状は、約１ｍｍ×約２０ｍ
ｍであった。

【００２０】図１において、移動装置１６は、モータ１
６ａ、図示しない歯車、被処理材４を載せる並進ステー
ジ１６ｂ、等からなりモータ１６ａにより歯車を介して
並進ステージ１６ｂを図で左方向に移動させるようにな
っている。試験片として、ペンキを塗った鉄板を被処理
材４として並進ステージ１６ｂ上に置き、パルスレーザ
光１の照射時にモータ駆動で掃引した。試験片（被処理
材４）は、レーザ光の線状焦点２の位置にくるように配
置した。また、照射点近くに吸引ノズル１８を配置し、
除去された表面物質を吸引器１９内に回収できるように
した。

【００２１】並進ステージ１６ｂの掃引速度を２ｍｍ／
ｓｅｃ、パルスレーザ光の繰り返し速度を４０ｐｐｓ、
１パルス当たりのレーザ光のエネルギーを３００ｍＪと
した結果、パルスレーザ光１が照射された部分は鉄の表
面があらわになり、その表面は全く損傷なく、きれいに
ペンキが除去されていることが確認された。この結果か
ら、レーザ発振の繰り返し速度を最大１ｋｐｐｓとした
場合、単位時間あたりの処理面積は３０００ｃｍ²／ｍ
ｉｎであり、短時間に広い面積の処理が可能であること
が確認された。

【００２２】図２は、本発明によるレーザによる表面付
着物の除去装置の第１実施例を示す部分構成図である。
この図において、本発明の除去装置２０は、表面付着物
３に対して斜めにレーザ光１を集光するレンズ系（図示
せず）と、表面付着物３に対して直交する位置に吸引口
２２を有する吸引器（図示せず）とを備える。レンズ
系、吸引器を含めその他の構成部品は図１と同様であ
る。

【００２３】図３は、図１及び図２の装置におけるアブ
レーション状態を模式的に示す図である。図３（Ａ）
（Ｂ）に示すように、レーザ光１の照射される角度に関
係なくアブレーションにより除去される物質（表面付着
物）の飛ぶ方向はほぼ被処理材４の表面に垂直な方向で
あることが試験によりわかった。すなわち、プルームが
レーザ光の方向に関係なく鉄板に垂直に噴出している。
この特性を利用し、図２に示すように、レーザ光１を斜
めに照射し、吸引口２２を照射される位置の真上に配置
することにより、非常に高い効率で除去物質が回収でき
ることが確認された。従って、図２に示した構成によ
り、除去された付着物がレンズ等に付着しにくく、かつ
付着物を効率よく回収することができ、再汚染のおそれ
を最小限に低減することができる。

【００２４】図４は、本発明によるレーザによる表面付
着物の除去装置の第２実施例を示す部分構成図である。
この図において、本発明の除去装置２４は、レーザ光１
を集光するレンズ系（図示せず）と、レーザ光１の焦点
２に沿って表面付着物３を相対移動させる移動装置１６
と、レーザ光１を照射する前に表面付着物３に除去促進
液２６を付加する除去促進器２８とを備えている。レン
ズ系、移動装置１６を含めその他の構成部品は図１と同
様である。また、除去促進液２６は、水、洗剤、錆落と
し剤、又は表面付着物に適した有機溶剤であり、除去促
進器２８は除去促進液２６を噴霧するように構成された
噴霧器であるのがよい。

【００２５】以下に図４の装置による試験結果を説明す
る。図４において、試験片として、苔や泥の付着した煉
瓦５を用いた。レーザ光１を照射する直前に噴霧器２８
を用いて煉瓦５の表面に水を吹きつけた。その結果を図
５に模式的に示す。水を吹きつけた場合と吹きつけない
場合において、ＣＯ₂レーザのパルス繰り返し速度をそ
れぞれの場合で、５０Ｈｚ，１００Ｈｚ及び２００Ｈｚ
にして照射を行った。いずれの場合にも、照射時間は１
秒とし、並進ステージ１６ｂの掃引速度は１０ｍｍ／ｓ
ｅｃで一定とした。その結果、水を吹きつけない場合に
比べて表面の付着物がきれいに除去されていることが確
認された。従って、レーザ光１の照射前又は照射中に表
面付着物３に除去促進液２６を付加する除去促進器２８
を備えることにより、レーザ光だけでは除去できない表
面付着物であっても効率的に除去することができる。

【００２６】なお、本発明は、上述した実施例に限定さ
れず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できる
ことは勿論である。

【００２７】

【発明の効果】上述したように本発明のレーザによる表
面付着物の除去方法及び装置によれば、表面付着物だ
けがプラズマ化して表面から飛びだしていくため母材を
傷つけずに付着物を除去でき、高繰り返しパルスレー
ザおよび高速掃引ステージを用いることにより短時間に
広い面積を処理することができ、レーザ光をミラーな
どを用いて長距離伝搬させることにより人間が入り込む
ことができないような狭いところや危険なところでも遠
隔操作により表面除去でき、表面から飛びだすプラズ
マ状の付着物は、飛びだす方向がほぼ一定しているの
で、吸引器により効率的に回収することができる。

【００２８】従って、本発明のレーザによる表面付着物
の除去方法及び装置は、機器自体に損傷を与えることな
く表面付着物を除去することができ、除去された付着物
がレンズ等に付着しにくく、付着物を効率よく回収する
ことができ再汚染のおそれが少なく、レーザ光だけでは
除去できない表面付着物にも適用できる、等の優れた効
果を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】レーザによる従来の表面付着物の除去装置を示
す全体構成図である。

【図２】本発明によるレーザによる表面付着物の除去装
置の第１実施例を示す部分構成図である。

【図３】図１及び図２の装置におけるアブレーション状
態を模式的に示す図である。

【図４】本発明によるレーザによる表面付着物の除去装
置の第２実施例を示す部分構成図である。

【図５】図４の装置による試験結果の模式図である。

【符号の説明】

１パルスレーザ光２線状焦点３表面付着物４被処理材５煉瓦１０除去装置１２レーザ発振器１４レンズ系１５反射ミラー１６移動装置１６ａモータ１６ｂ並進ステージ１８吸引ノズル１９吸引器２０除去装置２２吸引口２４除去装置２６除去促進液２８除去促進器

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】表面付着物を有する被処理材に対してパ
ルスレーザ光を斜めに照射し、かつ該パルスレーザ光を
線状焦点に集光し、該線状焦点に対して直交する方向に
表面付着物を相対移動させ、表面付着物をアブレーショ
ンにより被処理面に直交する方向に飛散させ、被処理面
に直交する位置に設けた吸引口から表面付着物を吸引除
去する、ことを特徴とするレーザによる表面付着物の除
去方法。
【請求項２】パルスレーザ光を発生させるレーザ発振
器と、該パルスレーザ光を表面付着物を有する被処理材
に対して斜めに照射し、かつ線状焦点に集光するレンズ
系と、該線状焦点に対して直交する方向に表面付着物を
相対移動させてレーザ光を表面付着物に照射する移動装
置と、被処理面に直交する位置に吸引口を有する吸引器
と、を備え、これにより、表面付着物をアブレーション
により被処理面に直交する方向に飛散させ、吸引口から
表面付着物を吸引除去することを特徴とするレーザによ
る表面付着物の除去装置。
【請求項３】前記レーザ発振器は、ＣＯ₂レーザ発振
器であり、前記パルスレーザ光は、少なくとも４０ｐｐ
ｓ以上の繰り返しパルス光である、ことを特徴とする請
求項２に記載のレーザによる表面付着物の除去装置。
【請求項４】前記パルスレーザ光は、約１０００ｐｐ
ｓの高繰り返しパルス光である、ことを特徴とする請求
項３に記載のレーザによる表面付着物の除去装置。
【請求項５】前記レンズ系は、円筒面を有するシリン
ドリカルレンズである、ことを特徴とする請求項４に記
載のレーザによる表面付着物の除去装置。
【請求項６】レーザ光の照射前に表面付着物に除去促
進液を付加する除去促進器を備え、該除去促進液は、
水，洗剤、錆落とし剤、又は有機溶剤であり、除去促進
器は除去促進液を噴霧するように構成された噴霧器であ
り、これにより、表面付着物の分離を促進して除去す
る、ことを特徴とする請求項２に記載のレーザによる表
面付着物の除去装置。