JP6661536B2 - レーザ照射装置 - Google Patents

Description

本発明はレーザ照射装置に関し、特に小型軽量な構造によって偏向光学系を高速で駆動することができかつ光学系の発熱に対処可能なものに関する。

例えば、鋼製の橋梁等の構造物においては、定期的に塗装を剥離、除去して再塗装を行うことが求められる。
このような塗装の剥離は、従来サンドブラスト、塗装剥離剤、機械工具（サンダー）等を利用することが一般的であったが、近年、構造物の表面にレーザ光を照射し、塗膜を破砕して剥離、除去することが提案されている。

例えば、特許文献１には、連続発振式のレーザ発振器からファイバによってレーザ光が伝送される可搬式のレーザヘッドに、レーザ光を所定の焦点で集光させる集光光学系を設けるとともに、レーザ光を所定の偏角で偏向させる偏光光学系を回転駆動することによって、レーザ光の焦点が照射対象物の表面を円弧状に旋回しながら走査するようにしたレーザ照射装置が記載されている。

国際公開ＷＯ２０１３／１３３４１５Ａ１

特許文献１に記載された技術のように、ウェッジプリズム等の偏光光学系を回転駆動することによって、ＣＷレーザを光源とする場合であっても、照射対象物の同一点にレーザが連続照射されることを防止し、被照射面が熱等によってダメージを受けることを防止できる。
このような偏向光学系は、例えばモータの回転中心軸周辺が空洞とされたいわゆる中空モータの内径側に収容することによって、レーザヘッドをコンパクトに構成することが可能である。
しかし、走査性能を向上して処理能力を改善するため、偏向光学系を例えば１００００ｒｐｍ以上の高速で駆動する場合、電力によってモータを駆動させる電磁モータで十分な出力、トルクを確保するためには大径のものが必要となり、レーザヘッドが大型化して重量も増加してしまう。
また、このようなレーザヘッドにおいては、電磁モータ自体の発熱に加え、レンズ、プリズム等の光学素子がレーザ光を受けて発熱する場合があり、電磁モータの場合には磁性体の高温劣化（高温減磁）による性能低下が生じてしまう。
上述した問題に鑑み、本発明の課題は、小型軽量な構造によって偏向光学系を高速で駆動することができかつ光学系の発熱に対処可能なレーザ照射装置を提供することである。

本発明は、以下のような解決手段により、上述した課題を解決する。
請求項１に係る発明は、レーザ発振器が発生するレーザ光を所定の焦点に集光させる集光光学系と、前記集光光学系から出たレーザ光を所定の偏角だけ偏向させる偏向光学系と、前記偏向光学系を前記集光光学系の光軸と実質的に平行に配置された回転軸周りに回転駆動する駆動手段とを備えるレーザ照射装置であって、前記駆動手段は、気体供給源から供給される気体が有するエネルギを回転力に変換するエアモータを有し、前記エアモータの排気を前記偏向光学系と前記集光光学系の少なくとも一方に含まれる光学素子に誘導する導風手段を有することを特徴とするレーザ照射装置である。
なお、本明細書及び請求の範囲の記載において、「エアモータ」とは、気体を作動流体として回転出力を発生する圧力モータ（気体供給源から供給される気体が有するエネルギを回転力に変換する機械）全般を指すものとする。
これによれば、偏向光学系の駆動にエアモータ（エアタービン）を用いることによって、駆動手段を小型かつ軽量とすることができ、装置をコンパクトに構成することが可能となる。
また、電磁モータのように磁性体を用いる必要がないことから、光学素子等が発する熱によって加熱された場合であっても減磁による性能劣化が生じ得ない。
また、エアモータの排気を利用して簡単な構成により効果的に光学素子を冷却することが可能となり、光学素子の焼損や劣化を防止することができる。
請求項２に係る発明は、前記レーザ光が照射対象物に照射された際に生じる除去物を吸引する吸引手段を備えることを特徴とする請求項１に記載のレーザ照射装置である。
これによれば、除去物が周囲に浮遊して環境を汚染したり、装置の内部に侵入して光学素子に付着すること等を防止できる。
請求項３に係る発明は、レーザ発振器が発生するレーザ光を所定の焦点に集光させる集光光学系と、前記集光光学系から出たレーザ光を所定の偏角だけ偏向させる偏向光学系と、前記偏向光学系を前記集光光学系の光軸と実質的に平行に配置された回転軸周りに回転駆動する駆動手段とを備えるレーザ照射装置であって、前記駆動手段は、気体供給源から供給される気体が有するエネルギを回転力に変換するエアモータを有し、前記偏向光学系に対して照射対象物側に突き出して筒状に形成され、前記偏向光学系から出たレーザ光が内径側を通過するとともに、前記エアモータの排気が導入されるダクトを有し、前記ダクトの内周面から内径側に突出しかつ前記ダクトの中心軸方向に沿って延在するスタビライザを前記ダクトの周方向に沿って複数形成したことを特徴とするレーザ照射装置である。
これによれば、ダクトの内周面に沿ってエアモータの排気が旋回流を形成する結果、軸心近傍の領域の気圧が外周側に対して相対的に低くなり、光学系側へ異物が吸引されることを防止し、光学系の汚れや劣化を抑制することができる。
請求項４に係る発明は、前記ダクトは筒状に形成された外筒の内径側に挿入され、前
記レーザ光が照射対象物に照射された際に生じる除去物を前記ダクトの外周面と前記外筒の内周面との間隔から吸引する吸引手段を備えることを特徴とする請求項３に記載のレーザ照射装置である。
これによれば、ダクトの外径側に設けられる外筒によって除去物を吸引することによって、上述した効果をより向上することができる。

請求項５に係る発明は、前記エアモータは、前記気体供給源から供給される気体によって前記回転軸周りに旋回する旋回流を形成する旋回流形成部と、前記旋回流によって回転駆動されるロータとを有し、前記旋回流形成部及び前記ロータは前記回転中心軸を含む中央部が中空とされ、前記レーザ光は前記旋回流形成部及び前記ロータの中央部を通過することを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載のレーザ照射装置である。
これによれば、エアモータを旋回流によって駆動される円環状の中空モータとし、中央部にレーザ光の光路を配置することによって、装置をよりいっそうコンパクトに構成することができる。

請求項６に係る発明は、中空に形成された前記ロータの内径側に前記偏向光学系の少なくとも一部の光学素子が設けられることを特徴とする請求項５に記載のレーザ照射装置である。
これによれば、光学素子の少なくとも一部をロータの内径側に収容することによって、装置をさらにコンパクトに構成することができる。

請求項７に係る発明は、前記エアモータ及び前記偏向光学系の少なくとも一部が一体のユニットとして他部から着脱可能であることを特徴とする請求項６に記載のレーザ照射装置である。
これによれば、レーザ照射時に焼損等によって消耗しやすい偏向光学系をエアモータとともに脱着可能とすることによって、交換作業を容易に行うことが可能となる。

請求項８に係る発明は、前記ロータは放射状に配置され前記旋回流を受けて回転力を発生させる複数の羽根を有し、前記羽根は、前記旋回流形成部と前記回転軸方向に離間して配置されることを特徴とする請求項５から請求項７までのいずれか１項に記載のレーザ照
射装置である。
これによれば、周方向に分散する複数の羽根に均等に旋回流を作用させることが可能となり、騒音を抑制することができる。

請求項９に係る発明は、前記エアモータは、前記レーザ光が通過する光路を含みかつ前記偏向光学系よりも照射対象物側の空間部内に排気を排出することを特徴とする請求項５から請求項８までのいずれか１項に記載のレーザ照射装置である。
これによれば、エアモータの排気を偏向光学系よりも照射対象物側へ排出することによって、レーザ照射により照射対象物から剥離した浮遊物が偏向光学系側に流れて付着することを防止できる。
また、レーザ光の光路から浮遊物を排除することによって、照射対象物に到達するエネルギを高め、処理能力を向上することができる。

請求項１０に係る発明は、前記エアモータの回転速度を検出する回転速度センサと、前記回転速度が所定の正常範囲以外である場合に前記レーザ光の照射を禁止する照射禁止手段とを備えることを特徴とする請求項１から請求項９までのいずれか１項に記載のレーザ照射装置である。
これによれば、エアモータが停止している場合のように正常に回転していない場合にレーザ光を照射し、照射対象物の一部に連続的に高エネルギが供給され、焼損や溶損等のダメージが発生することを防止できる。

請求項１１に係る発明は、前記エアモータの回転速度を検出する回転速度センサと、前記回転速度が予め設定された目標回転速度に近づくよう前記気体供給源をフィードバック制御する制御手段とを備えることを特徴とする請求項１から請求項１０までのいずれか１項に記載のレーザ照射装置である。
これによれば、レーザ光が照射対象物を走査する速度を適切に維持し、良好な処理性能を得ることができる。

以上説明したように、本発明によれば、小型軽量な構造によって偏向光学系を高速で駆動することができかつ光学系の発熱に対処可能なレーザ照射装置を提供することができる。

本発明を適用したレーザ照射装置の実施例１の構成を示す模式図である。 実施例１のレーザ照射装置におけるビームの挙動を示す模式図である。 実施例１のレーザ照射装置に設けられるエアモータの断面図である。である。 図３のエアモータにおけるハウジングの二面図である。 図３のエアモータにおけるフロントカバーの二面図である。 図３のエアモータにおけるリアカバーの二面図である。 図６のリアカバーをエアモータ内部側から見た外観斜視図である。 図３のエアモータにおけるランナの二面図である。 図８のランナをリアカバー側から見た外観斜視図である。 図３のエアモータにおけるレンズキャップの二面図である。 本発明を適用したレーザ照射装置の実施例２の断面図である。 図１１のXII−XII部模式的矢視断面図である。 図１１のレーザ照射装置におけるインナダクトの部品図である。

本発明は、小型軽量な構造によって偏向光学系を高速で駆動することができかつ光学系の発熱に対処可能なレーザ照射装置を提供する課題を、偏向光学系を中空の渦流式エアモータで駆動することによって解決した。

以下、本発明を適用したレーザ照射装置の実施例１について説明する。
実施例１のレーザ照射装置及び表面処理方法は、例えば、鋼製の橋梁の塗装剥離処理等に好適なものであるが、処理対象物はこれに限定されない。

図１は、実施例１のレーザ照射装置の構成を示す模式図である。
レーザ照射装置１は、レーザ発振器１０、ファイバ２０、レーザ照射ユニット３０、ハウジング４０、吸塵装置５０、コンプレッサ６０、エアモータ１００等を有して構成されている。
レーザ照射ユニット３０、ハウジング４０、及び、エアモータ１００は、作業者の手やロボットアーム等の搬送装置によって保持され、レーザ光からなるビームＢを照射しつつ照射対象物に対して相対移動することによって、被照射面を走査するレーザヘッドＨを構成する。

レーザ発振器１０は、励起源、レーザ媒質、光共振器等を有して構成された光源である。
レーザ発振器１０は、連続発振（ＣＷ）型及びパルス発振型の何れでもよく、例えばアークランプ、フラッシュランプなどを使用することができる。
また、使用する光源に応じて励起電流などを加えて駆動するための駆動手段を備えてもよい。
レーザ媒質は、固体レーザ（ルビーレーザ、ＹＡＧレーザ等）や半導体レーザ（レーザダイオード）を採用することが好ましい。
特に固体レーザとして、ファイバーレーザを使用することが好ましい。
なお、レーザ媒質は特に限定されるものではなく、そのほか、気体レーザ（ＣＯ２レーザ、エキシマレーザ等）、液体レーザ（色素レーザ）などを利用してもよい。

ファイバ２０は、レーザ発振器１０が発生したレーザ光を、レーザヘッドＨのレーザ照射ユニット３０に伝送するものである。
ファイバ２０は、コアの周囲をクラッドで被覆した光ファイバの周囲に、補強用、保護用の被覆を形成して構成されている。
ファイバ２０は、レーザヘッドＨによる照射対象物の走査を妨げないよう可撓性を有している。

レーザ照射ユニット３０は、照射対象物と隣接して配置され、レーザ発振器１０が発生しファイバ２０によって伝達されたレーザ光を、ビームＢとして照射対象物Ｏに対して照射するものである。

レーザ照射ユニット３０は、ファイバ接続部３１、集光光学系３２、偏向光学系３３等を有して構成されている。
ファイバ接続部３１は、ファイバ２０のレーザヘッドＨ側の端部が接続され、伝達されてきたレーザ光を集光光学系３２に案内するものである。
ファイバ接続部３１には、ファイバ２０から入射されるレーザ光を平行光線とするコリメート光学系が設けられている。

集光光学系３２は、ファイバ接続部３１のコリメート光学系によって平行光線とされたレーザ光を、所定の焦点ＦＰにおいて収束させるようフォーカシングするものである。
集光光学系３２は、例えば複数枚のレンズを有して構成されており、その一部は後述する偏向光学系３３と共通の支持部材（レンズ筒１４０）によって支持され、偏向光学系３３とともにエアモータ１００によって回転駆動される。

偏向光学系３３は、集光光学系３２から出たレーザ光を、所定の偏角だけ屈曲させるものである。
偏向光学系３３は、例えば、ウェッジプリズムを有して構成されている。
偏向光学系３３は、駆動用動力源であるエアモータ１００によって、集光光学系３２の光軸と実質的に平行に配置された回転軸回りに、所定の回転速度で回転駆動される。

ハウジング４０は、レーザ照射ユニット３０、エアモータ１００等が収容される容器状の部材であって、レーザヘッドＨの外装部分を構成する筐体となるものである。
ハウジング４０は、例えば、樹脂系材料をインジェクション成型することによって形成されている。
ハウジング４０は、内筒４１及び外筒４２を有して形成されている。

内筒４１は、集光光学系３２の光軸（エアモータ１００の回転軸）と実質的に同心の中心軸を有する円筒状の部材である。
レーザ照射ユニット３０及びエアモータ１００は、内筒４１の内径側に収容されている。
内筒４１の照射対象物側の端部は開口しており、ビームＢはこの開口を通過して照射対象物に照射される。

外筒４２は、内筒４１と実質的に同心に配置された円筒状の部分である。
内筒４１は、外筒４２の内径側に挿入され、内筒４１の外周面と外筒４２の内周面とは、所定の間隔を隔てて対向して配置されている。
外筒４２の周面部における照射対象物側の端部近傍には、レーザヘッドＨが吸塵装置５０の吸引力によって照射対象物に吸着してしまうことを防止するため、図示しない開口（貫通穴）が適宜形成される。
外筒４２の照射対象物側の端部は開口しており、ビームＢの照射によって照射対象物から剥離した、例えば塗膜の破片、錆、ダストなどの浮遊物は、内筒４１と外筒４２との隙間から吸引され回収される。

吸塵装置５０は、ハウジング４０の外筒４２の内部から、吸引ホース５１を介して空気を吸引することによって、内筒４１と外筒４２との隙間から浮遊物を回収するものである。
吸塵装置５０は、例えば、遠心式ターボ送風機等の気体吸引手段、吸引された物体を処理する処理室、フィルタ等を有して構成されている。

コンプレッサ６０は、圧縮された空気を、供給ホース６１を介してエアモータ１００に供給することによって、エアモータ１００を回転駆動させるものである。
コンプレッサ６０として、例えば、容積式のものを用いることができる。
また、コンプレッサ６０からエアモータ１００に圧縮空気を供給する管路に、供給圧力を調節する図示しないプレッシャーレギュレータを設けてもよい。

エアモータ１００は、コンプレッサ６０から供給される圧縮空気を用いて、レーザ照射ユニット３０の偏光光学系３３を回転駆動するアクチュエータである。
エアモータ１００は、回転中心軸を含む中央部が空洞とされた、円環状の渦流式中空モータである。
エアモータ１００は、偏向光学系３３の焼損時における交換を容易とするため、レーザ照射ユニット３０の偏向光学系３３を保持した状態で、レーザヘッドＨの他部から着脱可能となっている。
エアモータ１００の構成及び動作については、後に詳しく説明する。

図２は、実施例１のレーザ照射装置におけるビームの挙動を示す模式図である。
上述した構成によって、レーザ照射ユニット３０から射出されるビームＢは、集光光学系３２の光軸が通過する偏向光学系３３の中央部を頂点とし、偏向光学系３３の偏角を半頂角とする円錐の側面に沿って、周方向に旋回する挙動を示す。
このとき、ビームＢの焦点ＦＰは、集光光学系３２の光軸を中心とし、この光軸と直交する平面に沿った円周上を旋回することになる。
レーザヘッドＨを処理対象面に対して、集光光学系３２の光軸が照射対象物Ｏの処理対称面（被照射面）と直交し、かつ焦点ＦＰが処理対象面上となるように保持すると、ビームＢの焦点ＦＰは、円周上を旋回しながら処理対象面を走査する。
このような構成とすることによって、ＣＷレーザを用いた場合であっても、同一箇所に連続的にレーザ光が照射されることを防止できる。
なお、焦点ＦＰにおけるビーム径、被照射面上における旋回半径、旋回速度、レーザヘッドＨの走査速度等は、照射対象物の特性や必要とされる処理の種類に応じて適宜設定される。

以下、エアモータ１００の構成についてより詳細に説明する。
図３は、エアモータ１００を、回転中心軸を含む平面で切って見た断面図である。
エアモータ１００は、ハウジング１１０、フロントカバー１２０、リアカバー１３０、レンズ筒１４０、ランナ１５０、フロントベアリング１６０、リアベアリング１７０、レンズキャップ１８０等を有して構成されている。

ハウジング１１０は、エアモータ１００の外周面部を構成する筐体であって、回転軸と実質的に同心の円筒状に形成されている。
図４は、ハウジング１１０の二面部である。
図４（ａ）は、ハウジング１１０を径方向から見た部分断面側面図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）のｂ−ｂ部矢視図である。
ハウジング１１０は、筒状部１１１、フロントカバーフランジ１１２、フロントベアリング保持部１１３、ランナ収容部１１４、旋回流形成部１１５、リアカバー保持部１１６等を、樹脂系材料によって一体に形成して構成されている。

筒状部１１１は、円筒状に形成されハウジング１１０の外表面部を構成する部分である。
筒状部１１１は、内部に収容される各部材を軸方向に位置決めするため、照射対象物側から光源側（照射対象物側と反対側）にかけて、段階的に外径及び内径が順次拡大するように形成されている。

フロントカバーフランジ１１２は、筒状部１１１における照射対象物側の端部近傍における内周面から、内径側に張り出した面部である。
フロントカバーフランジ１１２は、筒状部１１１の中心軸（エアモータ１００の回転軸）と直交する平面状に形成されている。
フロントカバーフランジ１１２の中央部には、筒状部１１１の中心軸と実質的に同心の円形の開口１１２ａが形成されている。
フロントカバーフランジ１１２には、フロントカバー１２０の固定に用いられるビスが締結されるネジ穴部１１２ｂが形成されている。

フロントベアリング保持部１１３は、フロントベアリング１６０の外輪を保持する部分である。
フロントベアリング保持部１１３は、フロントカバーフランジ１１２の光源側の面部に隣接して配置されている。
フロントベアリング保持部１１３は、これよりも照射対象物側の領域に対して段状に内径を拡大して形成されており、フロントベアリング１６０を光源側から挿入した際に、外輪がここで突き当たるように構成されている。

ランナ収容部１１４、旋回流形成部１１５は、フロントベアリング保持部１１３の光源側に隣接して順次配置された空間部である。
ランナ収容部１１４、旋回流形成部１１５は、実質的に同一の内径に形成され、エアモータの回転軸方向に連続して設けられている。
ランナ収容部１１４は、ランナ１５０の羽根１５２を収容する空間を有する部分である。
旋回流形成部１１５は、リアカバー１３０の気流偏向ノズル１３３から噴出した空気流によって、エアモータ１００の中心軸回りに旋回する旋回流（流速が旋回流形成部１１５の周方向に沿った成分を有する気流）が形成される空間を有する部分である。
旋回流形成部１１５は、エアモータ１００の回転軸方向において、ランナ１５０の羽根１５２とリアカバー１３０との間に配置され、これらの間においては、筒状部は実質的に一定の外径、内径を有するよう形成されている。
また、これらの部分の内径は、フロントベアリング保持部１１３の内径よりも段状に大きく形成されている。

リアカバー保持部１１６は、リアカバー１３０の外周縁部を保持する部分である。
リアカバー保持部１１６は、旋回流形成部１１５の光源側に隣接して設けられ、旋回流形成部１１５よりも内径が段状に大きく形成されている。

フロントカバー１２０は、ハウジング１１０の筒状部１１１における照射対象物側の端部を実質的に閉塞する部材である。
図５は、フロントカバーの二面図である。
図５（ａ）は照射対象物側から見た図であり、図５（ｂ）は図５（ａ）のｂ−ｂ部矢視断面図である。
フロントカバー１２０は、円盤部１２１、筒状部１２２等を有して構成されている。

円盤部１２１は、エアモータ１００の中心軸と同心の円盤状の平板として形成されている。
円盤部１２１は、ハウジング１１０の筒状部１１１に照射対象物側から挿入され、外周縁部がフロントカバーフランジ１１２に当接した状態で、ビスによって締結される。
円盤部１２１の中央部には、エアモータ１００の中心軸と同心の円形の開口１２１ａが形成されている。

筒状部１２２は、円盤部１２１の開口１２１ａの周縁部から、レンズ筒１４０側に突出した円筒状の部分である。
筒状部１２２の内径は、軸方向における中央部が最も小さくなっており、ここから照射対象物側及び光源側にかけて徐々に径が大きくなるようテーパ状に形成されている。

リアカバー１３０は、ハウジング１１０の筒状部１１１における光源側の端部を実質的に閉塞する部材である。
図６は、リアカバーの二面図である。
図６（ａ）は、光源側から見た図であり、図６（ｂ）及び図６（ｃ）は、それぞれ図６（ａ）のｂ−ｂ部及びｃ−ｃ部の矢視断面図である。
図７は、リアカバーをエアモータ内部側から見た外観斜視図である。

リアカバー１３０は、円盤部１３１、空気導入管１３２、気流偏向ノズル１３３、リアベアリング保持部１３４を有して構成されている。

円盤部１３１は、エアモータ１００の中心軸と同心の円盤状の平板として形成されている。
円盤部１３１は、ハウジング１１０の筒状部１１１に光源側から挿入され、外周縁部がリアカバー保持部１１６の段部に突き当たった状態で、筒状部１１１の外径側から挿入されるビスで、締結部１３１ｂを締結されることによって固定されている。
円盤部１３１の中央部には、エアモータ１００の中心軸と同心の円形の開口１３１ａが形成されている。
締結部１３１ｂは、円盤部１３１の光源側の面部から張り出して形成され、径方向に沿って延在するネジ穴が形成されている。
締結部１３１ｂは、例えば、円盤部１３１の周方向における４箇所に実質的に等間隔に配列されている。

空気導入管１３２は、コンプレッサ６０からエアモータ１００に圧縮空気を供給するホースが接続される部分である。
空気導入管１３２は、円筒状に形成され、円盤部１３１の光源側の面部から光源側へ突出して形成されている。

気流偏向ノズル１３３は、空気導入管１３２からエアモータ１００の内部に導入された空気流の方向を、筒状部１１１の内周面に沿って周方向に流れるよう変化させてから旋回流形成部１１５の内部に噴出するよう屈曲して形成された流路である。
気流偏向ノズル１３３から噴出した気流は、旋回流形成部１１５の内部において、筒状部１１１の内周面に沿って流れることによって、エアモータ１００の中心軸回りに旋回しつつランナ１５０側へ流れる螺旋状の旋回流となり、ランナ１５０の羽根１５２に流入する。

リアベアリング保持部１３４は、リアベアリング１７０の外輪を保持する部分である。
リアベアリング保持部１３４は、円盤部１３１の開口１３１ａの内周縁部から、エアモータ１００の内部側（照射対象物側）に突き出して形成された円筒状の部分である。
リアベアリング１７０の外輪は、リアベアリング保持部１３４の内径側に圧入され保持される。

レンズ筒１４０は、レーザ照射ユニット３０の偏向光学系３３、及び、集光光学系３２の一部のレンズ３２ａを収容する円筒状の部材である。
レンズ筒１４０及びランナ１５０は、実施例１のエアモータ１００のロータの主要部を構成する。レンズ筒１４０及びランナ１５０は、共働してエアモータ１００の他部及び、レーザヘッドＨのエアモータ１００以外の部分に対してその中心軸回りに相対回転し、レーザ照射ユニット３０の偏光光学系３３を回転させるものである。
レンズ筒１４０は、例えば、レーザ照射ユニット３０が発生する熱を外部に放熱するため、熱伝導率が高いアルミニウム系合金などを用いて形成することができる。
また、コスト及び軽量化が重視される場合には樹脂系材料によって形成してもよい。
レンズ筒１４０は、エアモータ１００の回転軸と同心となるようにハウジング１１０の内部に挿入され、フロントベアリング１６０、リアベアリング１７０によって、ハウジング１１０に対して相対回転可能に支持される。

レンズ筒１４０の照射対象物側の端部には、フロントベアリング１６０の内輪を保持するベアリング保持部１４１が設けられている。
ベアリング保持部１４１は、レンズ筒１４０の照射対象物側の端部から外径側へ放射状に突出して形成されている。
ベアリング保持部１４１は、フロントベアリング１６０の内輪における内周面及び照射対象物側の端面と当接するものである。

フロントベアリング１６０の内輪における光源側の端面は、ベアリングカラー１４２によって保持される。
ベアリングカラー１４２は、ランナ１５０の筒状部１５１の照射対象物側の端面と、ベアリング保持部１４１との間に挟持される円環状の部材である。
ベアリングカラー１４２は、レンズ筒１４０及びランナ１５０に対して相対回転しないよう係合手段が適宜設けられている。

ベアリング保持部１４１及びベアリングカラー１４２は、外径側に突き出して放射状に突き出して形成された櫛歯状の保持部によってフロントベアリング１６０を保持している。
このような構成によって、図３に示すように、ランナ１５０の筒状部１５１の外周面と円環部１５３の内周縁部との隙間から流出した空気流Ｗは、ベアリング保持部１４１、ベアリングカラー１４２の櫛歯の間隔を通って、フロントベアリング１６０の内径側からフロントカバー１２０側へ通過することが可能となっている。

ランナ１５０は、ハウジング１１０の旋回流形成部１１５内で形成された旋回流を受けて、レンズ筒１４０を回転駆動する駆動力を発生する羽根車（タービン）である。
ランナ１５０は、例えば、樹脂系材料によって一体に形成されている。
図８は、ランナの二面図である。
図８（ａ）は、照射対象物側から見た図であり、図８（ｂ）は、図８（ａ）のｂ−ｂ部矢視断面図である。
ランナ１５０は、円筒部１５１、羽根１５２、円環部１５３等を有して構成されている。

円筒部１５１は、レンズ筒１４０が挿入される部分である。
円筒部１５１は、レンズ筒１４０の外周面部における軸方向中間部に固定される。

羽根１５２は、円筒部１５１の外周面から外径側へ突出して形成され、旋回流を受けて回転力を発生させるものである。
羽根１５２は、円筒部１５１の径方向及び軸方向に沿った平面に実質的に沿った矩形の平板状に形成されている。
羽根１５２は、円筒部１５１の周方向に分散して複数設けられ、エアモータ１００の回転軸方向から見たときに、放射状に配置されている。
図３に示すように、羽根１５２のリアカバー１３０側の端縁は、リアカバー１３０の気流偏向ノズル１３３に対して、エアモータ１００の回転軸方向に間隔を隔てて対向して配置されている。

円環部１５３は、複数の羽根１５２の照射対象物側の端縁部における外径側の領域を相互に連結する環状の部材である。
円環部１５３は、エアモータ１００の回転軸と直交する平面に沿った平板状に形成された円盤の中央部に、回転軸と同心の開口を形成したリング状のプレートとして形成されている。

フロントベアリング１６０、リアベアリング１７０は、レンズ筒１４０をハウジング１１０に対して回転可能に支持する軸受である。
フロントベアリング１６０、リアベアリング１７０として、例えば単列の深溝玉軸受等の転がり軸受を用いることができる。

フロントベアリング１６０は、レンズ筒１４０の照射対象物側の端部を保持するものである。
フロントベアリング１６０の内輪は、上述したレンズ筒１４０のベアリング保持部１４１及びベアリングカラー１４２によって保持されている。
フロントベアリング１６０の外輪は、ハウジング１１０のフロントベアリング保持部１１３に保持されている。

リアベアリング１７０は、レンズ筒１４０の光源側の端部を保持するものである。
リアベアリング１７０の内輪には、レンズ筒１４０が挿入されている。
リアベアリング１７０の内輪の内周面は、レンズ筒１４０の外周面と当接している。
リアベアリング１７０の内輪の照射対象物側の端面は、ランナ１５０の筒状部１５１の光源側の端面と当接している。
リアベアリング１７０の内輪の光源側の端面は、レンズ筒１４０の光源側の端部に被せられ締結されるベアリングキャップ１７１によって保持されている。
ベアリングキャップ１７１の中央部には、レーザ光が通過する開口１７１ａが形成されている。
リアベアリング１７０の外輪の外周面及び光源側の端面は、リアカバー１３０のリアベアリング保持部１３４に保持されている。

レンズキャップ１８０は、光学系保護等を目的としてレンズ筒１４０の照射対象物側の端部に設けられるリング状の部材である。
図１０は、レンズキャップの二面図である。
図１０（ａ）は、照射対象物側から見た図である。図１０（ｂ）は、図１０（ａ）のｂ−ｂ部矢視断面図である。図１０（ｃ）は、図１０（ｂ）のｃ−ｃ部矢視図である。
レンズキャップ１８０は、円盤部１８１、筒状部１８２、取付部１８３等を有して構成されている。

円盤部１８１は、エアモータ１００の回転軸と直交する平面に沿った平板状に形成され、中央部に回転軸と同心の円形の開口１８１ａが形成されている。
筒状部１８２は、円盤部１８１における開口１８１ａの周縁部から、照射対象物側へ突出して形成された円筒状の部分である。
筒状部１８２の外径は、突端部側が小さくなるようテーパ状に徐変するようになっている。
このような構成によって、図３に示すように、筒状部１８２の外周面とフロントカバー１２０の筒状部１２２の内周面とは、微小な間隔を隔てて対向して配置されるようになっている。
取付部１８３は、レンズキャップ１８０をレンズ筒１４０に締結する基部となる部分である。
取付部１８３は、円盤部１８１の外周縁部近傍から光源側へ突き出して形成され、レンズ筒１４０の照射対象物側の端面部に締結される。
取付部１８３は、円盤部１８１の周方向に等間隔に例えば４箇所設けられている。
各取付部１８３の間隔は、気流Ｗが通過可能となっている。

以下、上述した実施例１のレーザ照射装置１による構造物の表面処理について説明する。
実施例１のレーザ照射装置１は、例えば、屋外に設置される鋼製の橋梁等の構造物表面の塗装被膜を剥離するとともに、錆等を除去し、再塗装の下地処理を行うために用いられるが、照射対象物、処理の種類、用途は特に限定されない。
先ずレーザ照射装置１を施工現場に搬入し、レーザ発振器１０、吸塵装置５０、コンプレッサ６０にそれぞれ電源を接続する。

そして、レーザヘッドＨを、ビームＢの焦点ＦＰが、照射対象物Ｏの表面と実質的に一致するよう保持し、コンプレッサ６０からエアモータ１００に圧縮空気を供給する。
エアモータ１００に供給された気流Ｗは、リアカバー１３０の空気導入管１３２からエアモータ１００の内部へ導入され、気流偏向ノズル１３３によってリアカバー１３０の外周縁部の接線方向に実質的に沿った方向に偏向されてハウジング１１０の旋回流形成部１１５の内部に噴出される。
これによって、旋回流形成部１１５の内部には、筒状部１１１の内周面に沿って、リアカバー１３０側から見て時計回り方向に旋回しつつランナ１５０側へ流れる螺旋状の旋回流が形成される。

旋回流は、ランナ収容部１１４側へ流れ、ここでランナ１５０の羽根１５２に当たり、その圧力によって羽根１５２にランナ１５０及びレンズ筒１４０を回転させる回転駆動力を発生させる。
このとき、羽根１５２を気流偏向ノズル１３３に対して軸方向に離間させた構成としたことによって、羽根１５２に気流偏向ノズル１３３から出た噴流が直接当たることがないため、仮にそのような構成とした場合に発生し得る騒音を抑制できる。

羽根１５２に回転駆動力を発生させた後、気流Ｗは、ランナ１５０の円環部１５３と円筒部１５１との間隔、レンズ筒１４０のベアリング保持部１４１及びベアリングカラー１４２の櫛歯の間、さらに、レンズ筒１４０の端面とレンズキャップ１８０の円盤部１８１との間（取付部１８３の間隔）を順次通過して、レンズキャップ１８０の円盤部１８１の開口１８１ａ、筒状部１８２から、照射対象物側へ噴出する。
また、一部の気流Ｗは、レンズキャップ１８０の筒状部１８２の外周面と、フロントカバー１２０の筒状部１２２の内周面との間の隙間を通って照射対象物側へ噴出する。

なお、例えばレーザ照射ユニット３０の各光学素子（レンズ、ウェッジプリズム等）がレーザ光を受けた際の発熱や、それに伴う焼損、溶損等が問題となり得る場合には、気流Ｗの一部を抽出して光学素子に吹き付ける冷却用の気体流路を形成してもよい。
これによって、光学素子を冷却保護し、部品寿命を長くして装置のランニングコストを低下させることができる。

実施例１において、エアモータ１００のロータ（レンズ筒１４０、ランナ１５０等の回転部分）の回転速度を検出する回転センサを設けて、エアモータ１００の回転速度が所定の目標速度に近づくようフィードバック制御することが望ましい。
エアモータ１００の回転速度は、例えば、コンプレッサ６０の出力を調節して吐出量、吐出圧力を変化させたり、圧力レギュレータを用いてエアモータ１００への供給圧力を調節することによって制御できる。
また、例えば遠心ガバナ等の機械的な制御手段によってエアモータ１００の回転速度を制御するようにしてもよい。

また、回転センサがエアモータ１００の回転を検出しない（停止している）場合、あるいは、エアモータ１００の回転数が所定範囲以外である異常状態においては、照射対象物又はレーザ照射装置１自体の保護のため、レーザ発振器１０を停止させて照射を中止する安全装置を設けることが好ましい。

エアモータ１００が所望の回転速度で安定して回転開始した後、レーザ発振器１０からレーザ光の発生を開始させて、レーザヘッドＨから照射対象物ＯへのビームＢの照射を開始するとともに、レーザヘッドＨを、照射対象物Ｏとの間隔を維持しつつ照射対象物Ｏに対して相対移動させ、照射対象物Ｏの走査を開始する。
このようなレーザヘッドＨの移動は、例えば作業者がレーザヘッドＨを把持して手作業によって行ってもよいが、例えばＸＹステージやロボットアーム等の搬送手段を用いて自動的に行われるようにしてもよい。

このとき、吸塵装置５０を作動させ、ビームＢの照射によって剥離した塗装被膜の破片や錆、ダスト、煙等を、ハウジング４０の内筒４１と外筒４２との間隔より吸引し回収処理する。
なお、エアモータ１００の回転中は、ランナ１５０を駆動した後の気流（排気）がレンズキャップ１８０の中央部又は周囲から、照射対象物側に噴出するため、剥離した異物がエアモータ１００の内部や各光学素子側に流入することを防止できる。
また、ビームＢの光路内の異物を排除することによって、照射対象物に到達するエネルギを増やし、処理能力を向上することができる。

以上説明したように、実施例１によれば、小型軽量な構造によって偏向光学系を例えば１００００ｒｐｍ以上の高速で駆動することができかつ光学系の発熱に対処可能なレーザ照射装置を提供することができる。
このようなエアモータ１００は、電磁モータのように重量の嵩む磁性体やコイルを設ける必要がないため軽量であり、さらに、エアモータ１００自体が発生する熱量も無視し得る程度のものである。また、レーザ照射ユニット３０が発熱してハウジング４０内が高温となった場合であっても、磁性体の劣化等による性能低下が生じ得ないため、性能を確保できる。

また、エアモータ１００の内部に運転中常時外部から供給される空気の気流Ｗが通流されるため、エアモータ１００の冷却を図ることが可能であり、さらに必用に応じて排気をレーザ照射ユニット３０の各光学素子に導入すれば光学素子の冷却を図ることができ、例えば水冷用ウォータージャケット等の冷却装置を設ける必要がない。

次に、本発明を適用したレーザ照射装置の実施例２について説明する。
実施例と実質的に同様の箇所には同じ符号を付して説明を省略し、主に相違点について説明する。
図１１は、実施例２のレーザ照射装置の断面図である。
実施例２のレーザ照射装置は、実施例１のハウジング４０に代えて、以下説明するハウジング２００の内部にレーザ照射ユニット３０及びエアモータ１００を収容したものである。
エアモータ１００は、軽量化のため実施例１におけるリアベアリング１７０を省略し、フロントベアリング１６０に相当する単一のベアリングによって回転部分が支持される以外は、実施例１のエアモータ１００と実質的に同様に構成されている。

ハウジング２００は、内筒２１０、外筒２２０、フロントパイプ２３０、カラー２４０、インナダクト２５０等を有して構成されている。
内筒２１０は、実質的に円筒状に形成され、レーザ照射ユニット３０及びエアモータ１００を内径側に収容する部分である。
内筒２１０の照射対象物側（図１１における左側）の端部は、エアモータ１００よりも照射対象物側に張り出して形成されている。

外筒２２０は、実質的に円筒状に形成され、内筒２１０を内径側に収容する部分である。
図１２は、図１１のXII−XII部模式的矢視断面図である。
外筒２２０の内径は、内筒２１０の外径に対して大きく設定されている。
内筒２１０は、外周面における一部が外筒２２０の内周面に接するよう、外筒２２０に対して偏心して配置されている。
内筒２１０の外周面と外筒２２０の内周面との間の空間部は、実施例１のハウジング４０と同様に、塗膜の破片、錆、ダストなどの浮遊物の吸引に用いられる。
外筒２２０の照射対象物側とは反対側の端部は、吸引ホース５１を介して吸塵装置に接続されている。
外筒２２０の照射対象物の端部は、内筒２１０の端部に対して照射対象物側に張り出して配置されている。

フロントパイプ２３０は、外筒２２０の照射対象物側の端部から、照射対象物側へ突出して設けられた円筒状の部分である。
フロントパイプ２３０は、外筒２２０と実質的に同心に形成され、照射対象物側が小径となるようにテーパ状に形成されている。

カラー２４０は、フロントパイプ２３０の照射対象物側の端部から、照射対象物へ突出して設けられた円環状（短円筒状）の部材である。
カラー２４０は、フロントパイプ２３０と実質的に同心に配置されている。

インナダクト２５０は、エアモータ１００の照射対象物側の端面における外周縁部から、照射対象物側へ突出して設けられた円筒状の部材である。
図１３は、インナダクトの部品図であって、図１３（ａ）は図１１のXIII部拡大図であり、図１３（ｂ）は図１３（ａ）のｂ−ｂ部矢視図である。なお、図１３（ａ）は、図１３（ｂ）のａ−ａ部矢視断面図である。
インナダクト２５０は、内筒２１０と実質的に同心の筒状であって、照射対象物側の端部がエアモータ１００側の端部に対して小径となるようにテーパ状に形成されている。
図１１に示すように、インナダクト２５０の外周面と内筒２１０の内周面との間隔は、照射対象物側にいくほど拡大するように設定されている。
インナダクト２５０の照射対象物側の端部は、内筒２１０の端部よりもややエアモータ１００側にオフセットして配置されている。

インナダクト２５０には、スタビライザ２５１が形成されている。
スタビライザ２５１は、インナダクト２５０の内周面から、実質的に径方向に沿って内径側に突出して形成された平板状かつリブ状の整流フィンである。
スタビライザ２５１は、インナダクト２５０の中心軸（エアモータ１００の回転中心軸と実質的に同心）に沿って延在している。
スタビライザ２５１の突端部（最も内径側の縁部）は、実質的に直線に沿うように形成され、ビームＢが旋回してスタビライザ２５１に最も隣接して通過する際に、このビームＢと微小な間隔を隔てて対向するよう配置されている。
インナダクト２５０の内周面から内径側へのスタビライザ２５１の突出量（リブ高さ）は、エアモータ１００側から照射対象物側へかけて連続的に減少するよう設定されている。
インナダクト２５０の照射対象物側の端部においては、スタビライザ２５１の突出量は実質的にゼロとなっており、スタビライザ２５１をインナダクト２５０の周方向から見た平面形状は、実質的に三角形状に形成されている。

以上説明した実施例２によれば、インナダクト２５０の内周面に沿ってエアモータの排気が旋回流を形成することが防止され、このような旋回流に起因して軸心近傍の領域の気圧が外周側に対して相対的に低くなってエアモータ１００側へ異物が吸引されることを防止し、レンズ等の汚れや劣化を抑制することができる。

（変形例）
本発明は、以上説明した実施例に限定されることなく、種々の変形や変更が可能であって、それらも本発明の技術的範囲内である。
（１）レーザ照射装置を構成する各部材の構造、材質、形状、数量、配置等は、上述した実施例に限らず、適宜変更することが可能である。
（２）実施例においては、エアモータを駆動する気体として空気を利用しているが、これに限らず、例えば窒素や二酸化炭素等の不燃性ガス、ヘリウム、ネオン、アルゴン等の不活性ガス、塗膜除去を促進する反応性ガスなどの他の気体を用いてもよい。
（３）レーザ照射装置の用途は、実施例のような塗膜除去、再塗装用の下地処理に限らず、例えば大型タンクの開放検査時の下地処理、大型機械設備等の溶接前処理などの表面改質処理、港湾部設備などの汚れ又は錆の除去などにも利用可能である。
また、コンクリート表面に付着した汚れ、落書き等も除去することができる。さらに、放射能に汚染された塗料や付着物の除去にも利用可能である。
（４）実施例ではレーザヘッドのハウジングを二重筒構造とし、内筒からレーザを照射しかつ空気を噴出させるとともに、外筒から浮遊物を吸引する構成としているが、ハウジングや吸塵機構の構成はこれに限定されない。
また、二重筒構造とした場合、内筒、外筒の先端部の位置関係（内筒、外筒の一方が他方に対して照射対象物側に突出する等）も特に限定されない。
また、レーザヘッドを照射対象物と所定の間隔を隔てて移動させることを補助するため、摺動補助手段を設けてもよい。このような摺動補助手段として、例えば、タイヤ、ローラ等の転動体や、可撓性を有する材料によって形成された刷毛状、カーテン状等の部材を用いることができる。
（５）実施例ではエアモータとして旋回流を利用した中空形のものを利用しているが、エアモータの形式は特に限定されない。例えば、ベーン式等のエアモータを用いてもよい。（６）実施例では気体供給源としてコンプレッサを用いているが、これに限らず送風機やボンベを用いてもよい。
（７）実施例では、偏向光学系３３の交換のため、エアモータ１００をレーザヘッドＨから着脱可能としているが、エアモータ１００全体を着脱することに限らず、例えば、エアモータ１００から回転部分であるロータ（レンズ筒１４０、ランナ１５０等）のみを着脱可能としてもよい。さらに、例えばレンズ筒１４０から偏光光学系３３が設けられる一部のみを着脱可能としてもよい。

Ｏ 照射対象物（処理対象物） Ｈ レーザヘッド
Ｂ ビーム ＦＰ 焦点
１０ レーザ発振器 ２０ ファイバ
３０ レーザ照射ユニット ３１ ファイバ接続部
３２ 集光光学系 ３２ａ レンズ
３３ 偏向光学系 ４０ ハウジング
４１ 内筒 ４２ 外筒
５０ 吸塵装置 ５１ 吸引ホース
６０ コンプレッサ ６１ 供給ホース
１００ エアモータ
１１０ ハウジング １１１ 筒状部
１１２ フロントカバーフランジ １１２ａ 開口
１１３ フロントベアリング保持部 １１４ ランナ収容部
１１５ 旋回流形成部 １１６ リアカバー保持部
１２０ フロントカバー １２１ 円盤部
１２１ａ 開口 １２２ 筒状部
１３０ リアカバー １３１ 円盤部
１３１ａ 開口 １３１ｂ 締結部
１３２ 空気導入管 １３３ 気流偏向ノズル
１３４ リアベアリング保持部
１４０ レンズ筒 １４１ ベアリング保持部
１４２ ベアリングカラー
１５０ ランナ １５１ 筒状部
１５２ 羽根 １５３ 円環部
１６０ フロントベアリング
１７０ リアベアリング １７１ ベアリングキャップ
１７１ａ 開口
１８０ レンズキャップ １８１ 円盤部
１８１ａ 開口 １８２ 筒状部
１８３ 取付部
２００ ハウジング（実施例２） ２１０ 内筒
２２０ 外筒 ２３０ フロントパイプ
２４０ カラー ２５０ インナダクト
２５１ スタビライザ

Claims (11)

1. レーザ発振器が発生するレーザ光を所定の焦点に集光させる集光光学系と、
   前記集光光学系から出たレーザ光を所定の偏角だけ偏向させる偏向光学系と、
   前記偏向光学系を前記集光光学系の光軸と実質的に平行に配置された回転軸周りに回転駆動する駆動手段と
   を備えるレーザ照射装置であって、
   前記駆動手段は、気体供給源から供給される気体が有するエネルギを回転力に変換するエアモータを有し、
   前記エアモータの排気を前記偏向光学系と前記集光光学系の少なくとも一方に含まれる光学素子に誘導する導風手段を有すること
   を特徴とするレーザ照射装置。
2. 前記レーザ光が照射対象物に照射された際に生じる除去物を吸引する吸引手段を備えること
   を特徴とする請求項１に記載のレーザ照射装置。
3. レーザ発振器が発生するレーザ光を所定の焦点に集光させる集光光学系と、
   前記集光光学系から出たレーザ光を所定の偏角だけ偏向させる偏向光学系と、
   前記偏向光学系を前記集光光学系の光軸と実質的に平行に配置された回転軸周りに回転駆動する駆動手段と
   を備えるレーザ照射装置であって、
   前記駆動手段は、気体供給源から供給される気体が有するエネルギを回転力に変換するエアモータを有し、
   前記偏向光学系に対して照射対象物側に突き出して筒状に形成され、前記偏向光学系から出たレーザ光が内径側を通過するとともに、前記エアモータの排気が導入されるダクトを有し、
   前記ダクトの内周面から内径側に突出しかつ前記ダクトの中心軸方向に沿って延在するスタビライザを前記ダクトの周方向に沿って複数形成したこと
   を特徴とするレーザ照射装置。
4. 前記ダクトは筒状に形成された外筒の内径側に挿入され、
   前記レーザ光が照射対象物に照射された際に生じる除去物を前記ダクトの外周面と前記外筒の内周面との間隔から吸引する吸引手段を備えること
   を特徴とする請求項３に記載のレーザ照射装置。
5. 前記エアモータは、前記気体供給源から供給される気体によって前記回転軸周りに旋回する旋回流を形成する旋回流形成部と、
   前記旋回流によって回転駆動されるロータとを有し、
   前記旋回流形成部及び前記ロータは前記回転中心軸を含む中央部が中空とされ、前記レーザ光は前記旋回流形成部及び前記ロータの中央部を通過すること
   を特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載のレーザ照射装置。
6. 中空に形成された前記ロータの内径側に前記偏向光学系の少なくとも一部の光学素子が設けられること
   を特徴とする請求項５に記載のレーザ照射装置。
7. 前記エアモータ及び前記偏向光学系の少なくとも一部が一体のユニットとして他部から着脱可能であること
   を特徴とする請求項６に記載のレーザ照射装置。
8. 前記ロータは放射状に配置され前記旋回流を受けて回転力を発生させる複数の羽根を有し、
   前記羽根は、前記旋回流形成部と前記回転軸方向に離間して配置されること
   を特徴とする請求項５から請求項７までのいずれか１項に記載のレーザ照射装置。
9. 前記エアモータは、前記レーザ光が通過する光路を含みかつ前記偏向光学系よりも照射対象物側の空間部内に排気を排出すること
   を特徴とする請求項５から請求項８までのいずれか１項に記載のレーザ照射装置。
10. 前記エアモータの回転速度を検出する回転速度センサと、
    前記回転速度が所定の正常範囲以外である場合に前記レーザ光の照射を禁止する照射禁止手段と
    を備えることを特徴とする請求項１から請求項９までのいずれか１項に記載のレーザ照射装置。
11. 前記エアモータの回転速度を検出する回転速度センサと、
    前記回転速度が予め設定された目標回転速度に近づくよう前記気体供給源をフィードバック制御する制御手段と
    を備えることを特徴とする請求項１から請求項１０までのいずれか１項に記載のレーザ照射装置。
    

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