JP6955664B2 - 表面処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、表面処理装置に関し、特に、構造物の表面における塗膜や付着物等の除去に適した表面処理装置に関する。

例えば、橋梁等の鋼構造物は風雨に晒されることから、表面に防錆等の塗装が施されることが多い。また、長期間の使用により、塗膜が劣化したり、表面に酸化物や汚れが付着したりすることから、定期的に洗浄や塗装の塗り替え等のメンテナンスが必要となる。なお、塗装を塗り替える際には、古い塗膜を剥離（例えば、ケレン処理）してから新しい塗装を施すのが一般的である。

また、鋼構造物の塗装塗り替え工事において、古い塗装を剥離した面（剥離面）の品質によって、塗り替え後の塗装品質や寿命は大きく左右される。特に、腐食の発生した面においては、高性能な塗装剥離表面処理（素地調整）を行う必要があり、ISO8501にて１種ケレンという規格が設けられている。

工場内で１種ケレンを行う手法としては、ブラスト処理や薬剤処理等が用いられているが、橋梁等の工事現場において１種ケレンを行うことは、現況困難であり、鋭意検討が進められている。例えば、現場にて１種ケレンを行う手法としてバキュームブラストが挙げられるが、研削材を使用するために大量の廃棄物を生じてしまうという問題がある。

これに代わる手法として、レーザアブレーションを利用した手法が検討されている（例えば、特許文献１参照）。かかる手法を用いたケレン装置は、一般に、レーザを発生させるレーザ発振器と、レーザ光を導く光ファイバー等の光路ケーブルと、レーザ光を集光しスキャンしながら照射するレーザヘッドと、を備えている。

特開２０１４−２１０２９０号公報

特許文献１のように、レーザ光を用いた手法では、施工速度の観点からレーザ出力の大きい方が好都合であるが、レーザ出力の大きさに伴ってコネクタや光学部品が大きくなってしまい、レーザヘッドが大型化してしまうこととなる。その結果、現場、特に狭隘部でのレーザヘッドの取り回しが困難になってしまうという問題がある。

本発明は、上述した問題点に鑑み創案されたものであり、レーザヘッドの小型化を図ることができる表面処理装置を提供することを目的とする。

本発明によれば、光ファイバーから伝送されたレーザ光を外部に取り出すコリメートレンズを備えた第一ユニットと、前記第一ユニットに対して相対的に旋回可能に配置されるとともに前記レーザ光を集光してレーザビームを照射する集光レンズを備えた第二ユニットと、を備え、前記第二ユニットの旋回部は、前記レーザ光をコリメートしてから集光するまでの光路間に配置されており、前記集光レンズの外面を覆うとともに前記レーザビームを照射可能な開口部を備えたレンズカバーと、該レンズカバーに接続され前記レーザビームの光路を囲うビームノズルと、を備えたことを特徴とする表面処理装置が提供される。

前記旋回部は、内筒及び外筒を備えた二重管構造を有しており、内筒は光路を形成し、外筒はケーブル類の通路を形成していてもよい。

また、前記ビームノズルは、側面部に形成されたバキューム用開口部と、該バキューム用開口部が形成された側面部に沿って配置されたバキューム用ガイドと、を有していてもよい。

また、前記レンズカバーは、前記集光レンズの表面にエアパージ可能な隙間を有していてもよい。

また、前記表面処理装置は、前記ビームノズルの先端の位置を計測する近接センサと、前記ビームノズルが適正な位置にある場合と前記ビームノズルが適正な位置より遠い場合と前記ビームノズルが適正な位置より近い場合とを区別して異なる信号を発信可能な信号出力部と、を備えていてもよい。

上述した本発明の表面処理装置によれば、コリメートレンズを含む第一ユニットと、集光レンズを含む第二ユニットとを別体に形成し、第二ユニットを第一ユニットに対して相対的に旋回可能に構成したことにより、レーザ光を取り出してから集光するまでのエネルギー密度が低い状態でレーザ光を伝送することができ、コネクタや光学部品の小型化を図ることができる。したがって、本発明によれば、第一ユニット及び第二ユニットを含むレーザヘッドの小型化を図ることができ、特に、回転部である第二ユニットの小型化を図ることができる。

本発明の一実施形態に係る表面処理装置のレーザヘッドの構成を示す断面図である。 図１におけるＹ−Ｙ断面図である。 レンズカバーの蓋体の一例を示す斜視図である。 図１に示した表面処理装置の使用状態を示す図であり、（ａ）は側面照射時、（ｂ）は正面照射時、を示している。

以下、本発明の実施形態について図１〜図４（ｂ）を用いて説明する。ここで、図１は、本発明の一実施形態に係る表面処理装置のレーザヘッドの構成を示す断面図である。図２は、図１におけるＹ−Ｙ断面図である。図３は、レンズカバーの蓋体の一例を示す斜視図である。図４は、図１に示した表面処理装置の使用状態を示す図であり、（ａ）は側面照射時、（ｂ）は正面照射時、を示している。なお、図１は側面照射時におけるレーザヘッドの断面図を示している。

本発明の一実施形態に係る表面処理装置１は、図１に示したように、光ファイバー２から伝送されたレーザ光Ｌを外部に取り出すコリメートレンズ３１を備えた第一ユニット３と、第一ユニット３に対して相対的に旋回可能に配置されるとともに、レーザ光Ｌを集光してレーザビームを照射する集光レンズ４１と集光レンズ４１にレーザ光Ｌを案内する駆動ミラー４２とを備えた第二ユニット４と、駆動ミラー４２を操作する機器を備えた第三ユニット５と、を備え、第二ユニット４の旋回部６は、レーザ光Ｌをコリメートしてから集光するまでの光路間に配置されている。

表面処理装置１のレーザヘッド１１は、第一ユニット３、第二ユニット４及び第三ユニット５によって構成される。第一ユニット３〜第三ユニット５は、略矩形形状の基板１２に固定される。例えば、図１に示した一実施形態に係る表面処理装置１では、基板１２の一方の側面に第一ユニット３が配置され、基板１２の他方の側面に第二ユニット４及び第三ユニット５が配置される。図１では、基板１２の側面をＹＺ平面に沿って配置した状態を図示している。

光ファイバー２は、図示しないレーザ発振器に接続されており、先端に第一ユニット３に接続するためのコネクタ２１を備えている。レーザ発振器は、表面処理装置１の近傍に配置されていてもよいし、遠隔地に配置されていてもよい。光ファイバー２は、例えば、図中のＹ軸方向に沿って配置されるように第一ユニット３に接続される。

第一ユニット３は、光ファイバー２からレーザ光Ｌを取り出して第二ユニット４に伝送する構成部品である。第一ユニット３は、コリメートレンズ３１と、基板１２の側面に固定されたハウジング３２と、ハウジング３２の一端に配置された光ファイバー２のコネクタ２１に接続されるソケット３３と、コリメートレンズ３１を支持する支持部材３４と、レーザ光Ｌを屈折させる反射ミラー３５と、を備えている。

コリメートレンズ３１は、光ファイバー２により伝送された光を平行光であるレーザ光Ｌとして取り出す部品である。コリメートレンズ３１は、図示したように、光ファイバー２と同心軸上に配置されており、軸方向（Ｙ軸方向）に伸縮可能に構成されている。コリメートレンズ３１を軸方向に移動させることによってレーザ光Ｌの径を調整することができ、最終的に照射されるレーザ光Ｌ焦点距離を調整することができる。

反射ミラー３５は、コリメートレンズ３１を透過したレーザ光Ｌを第二ユニット４に案内する部品である。ここでは、コリメートレンズ３１を透過したレーザ光Ｌの進路を９０°変更することによって、レーザ光Ｌを第二ユニット４に案内している。ここでは、図中のＸ軸方向にレーザ光Ｌを屈折させている。なお、反射ミラー３５の個数、配置、反射角度等の条件は、コリメートレンズ３１及び集光レンズ４１の配置等によって適宜変更することができる。

第二ユニット４は、塗膜の剥離等を行う構造物の表面にレーザ光Ｌを照射する構成部品である。第二ユニット４は、集光レンズ４１と、駆動ミラー４２と、集光レンズ４１及び駆動ミラー４２を収容するハウジング４３と、を備えている。ハウジング４３は、基板１２の第一ユニット３と反対側の側面に配置されており、旋回部６によって旋回可能に配置されている。

駆動ミラー４２は、例えば、ガルバノミラーである。駆動ミラー４２は、駆動モータ４４（例えば、ガルバノモータ）によって駆動される。駆動モータ４４は、例えば、ハウジング４３内に立設された支持部材４５によって支持される。駆動ミラー４２に案内されたレーザ光Ｌは、揺動する駆動ミラー４２によって進路が略９０°変更され、集光レンズ４１に案内される。なお、駆動ミラー４２は、ガルバノミラーの代わりにポリゴンミラーであってもよい。また、図２では、説明の便宜上、駆動ミラー４２の図を省略してある。

集光レンズ４１は、例えば、ｆθレンズである。ｆθレンズは、ガルバノミラー（駆動ミラー４２）の等速回転運動をレンズのディストーション効果を用いて、焦点平面上を移動するスポットの等速直線運動に変換する部品である。集光レンズ４１は、例えば、図１及び図２に示したように、ハウジング４３のＸＹ平面に沿って配置された側面４３ａに固定される。

ハウジング４３は、基板１２の側面に沿って配置される摺動面４３ｂを有する。ハウジング４３は基板１２に対して旋回部６を介して旋回可能に配置されている。旋回部６は、例えば、内筒６１及び外筒６２を備えた二重管構造を有している。内筒６１はレーザ光Ｌの光路を形成し、外筒６２はケーブル類の通路を形成している。図示しないが、内筒６１は、外筒６２の内面と内筒６１の外面とを連結する支持部材によって支持されている。

外筒６２の一端は、基板１２の開口部に挿入された無給油ブッシュ６３により回転可能に支持されている。外筒６２の他端は、ハウジング４３の摺動面４３ｂに固定されている。外筒６２は、内筒６１の軸芯が反射ミラー３５によって反射されたレーザ光Ｌの進行方向と略一致するように位置決めされる。また、摺動面４３ｂと基板１２との間にはＯリング６４を配置してもよい。なお、旋回部６の構成は単なる一例であり、図示した構成に限定されるものではない。

かかる旋回部６を用いることにより、反射ミラー３５から集光レンズ４１に進行するレーザ光Ｌを遮ることがなく、第二ユニット４を図のＸ軸方向を中心にして旋回させることができる。この第二ユニット４の旋回により集光レンズ４１から照射されるレーザビームの方向をＹＺ平面内で任意に変更することができる。なお、第二ユニット４を旋回させた位置は固定ピン６５によって固定される。

また、表面処理装置１は、図２に示したように、集光レンズ４１の外面を覆うとともにレーザビームを照射可能な開口部７１を備えたレンズカバー７と、レンズカバー７に接続されレーザビームの光路を囲うビームノズル８と、を備えていてもよい。

レンズカバー７は、例えば、集光レンズ４１の外周を覆う略円筒形状の胴部７２と、胴部７２の先端に配置される蓋体７３と、を有している。胴部７２は、集光レンズ４１の周面と一定の隙間を有するように形成されており、その周面にはレンズカバー７内にパージガスを供給するガス供給口７４が配置されている。

蓋体７３は、例えば、図３に示したように、開口部７１が形成された本体部７３ａと、本体部７３ａの外縁に沿って配置されるとともに胴部７２と集光レンズ４１との隙間に挿入される複数の壁部材７３ｂと、本体部７３ａの端部に形成されたフランジ部７３ｃと、を備えている。壁部材７３ｂは、胴部７２と集光レンズ４１との隙間に挿入され、フランジ部７３ｃが胴部７２の端部に接触することによって位置決めされ、ビス等の固定部材によって固定される。

このとき、集光レンズ４１の表面と蓋体７３の本体部７３ａとの間には一定の隙間７５が形成されている。この隙間７５は、集光レンズ４１の表面をエアパージする空間を形成する。ガス供給口７４からレンズカバー７の胴部７２内に供給されたパージガスは、蓋体７３に形成された壁部材７３ｂの隙間を通って隙間７５に供給される。

隙間７５に供給されたパージガスは、ビームノズル８を通ってレンズカバー７から排出される。かかるパージガスにより、レーザビームの照射により剥離された塗膜の破片が集光レンズ４１の表面に到達しないようにすることができる。

ビームノズル８は、例えば、断面矩形形状の筒体によって構成されている。また、ビームノズル８は、側面部に形成されたバキューム用開口部８１と、バキューム用開口部８１が形成された側面部８２に沿って配置されたバキューム用ガイド８３と、を有している。バキューム用ガイド８３は、蓋体７３の開口部７１の外縁部からビームノズル８の先端部に向かって配置された板部材によって構成されている。

かかるバキューム用ガイド８３によって、レーザビームの光路とレーザビームによって剥離された塗膜等の破片をバキューム用開口部８１から外部に排出する流路とを区切ることができる。なお、バキューム用開口部８１の外側には、レーザビームによって剥離された塗膜等の破片を回収するバキュームタンク（図示せず）に搬送するバキュームホース（図示せず）を接続可能なコネクタ８４が配置されていてもよい。

また、バキューム用ガイド８３の先端は、ビームノズル８の先端よりも一定の距離だけ奥まった位置に配置されており、ビームノズル８の先端に一定の空間８５が形成されている。かかる空間８５を形成することにより、剥離された塗膜等の破片の逃げ場を形成することできる。レーザビームによって剥離された塗膜等の破片は、空間８５からバキューム用ガイド８３によって区切られた流路を通って、バキューム用開口部８１からバキュームタンク（図示せず）に搬送される。

なお、図示しないが、ビームノズル８の先端に構造物の表面に接触するブラシやローラを配置するようにしてもよい。ビームノズル８の先端にブラシを配置することにより、構造物の表面に傷を付けることがなく、バキューム時に外部の空気を空間８５内に吸引することができる。また、ビームノズル８の先端にローラを配置することにより、ビームノズル８の先端を構造物の表面に接触させたままビームノズル８を容易に移動させることができる。

また、表面処理装置１は、ビームノズル８の先端の位置を計測する近接センサ９を備えていてもよい。近接センサ９は、例えば、図２に示したように、ビームノズル８の側面に配置される。近接センサ９の計測結果は、例えば、図４（ａ）及び図４（ｂ）に示したように、第三ユニット５の側面に配置された信号出力部９１に表示される。なお、近接センサ９は、ビームノズル８以外の場所（例えば、レンズカバー７や第二ユニット４のハウジング４３等）に配置してもよい。

信号出力部９１は、ビームノズル８が適正な位置にある場合とビームノズル８が適正な位置より遠い場合とビームノズル８が適正な位置より近い場合とを区別して異なる信号を発信可能に構成されている。信号出力部９１は、例えば、ビームノズル８が適正な位置にある場合には青色の信号を表示し、ビームノズル８が適正な位置より遠い場合には赤色の信号を表示し、ビームノズル８が適正な位置より近い場合には橙色の信号を表示する。

第三ユニット５は、内部に駆動モータ４４を操作するモータドライバ５１や電圧電流変換器５２等の機器を収容するハウジング５３を有している。ハウジング５３の側面には、信号ケーブルや電源ケーブルを接続するコネクタ５４やレーザヘッド１１の位置を示す信号を表示する信号出力部９１等が配置されている。

第二ユニット４内に収容された駆動モータ４４の信号ケーブルや電源ケーブル（図では点線で図示している）は、旋回部６の外筒６２を通り、第三ユニット５内の基板１２に形成された開口部（図示せず）を経由して、第三ユニット５内に収容されたモータドライバ５１に接続される。

また、基板１２には、レーザヘッド１１を所定の位置に配置するためのハンドル１３（図４参照）を接続するハンドルブラケット１４（図１参照）が配置されていてもよい。ハンドル１３はハンドルブラケット１４に交換可能に構成されており、表面処理装置１の使用箇所に応じて異なる長さのハンドル１３に付け替えるようにしてもよい。また、ハンドル１３は伸縮可能な構成を有していてもよい。

上述した本実施形態に係る表面処理装置１によれば、橋梁等の鋼構造物の側面等の塗膜を剥離する場合には、例えば、図４（ａ）に示したように、ハンドル１３に対してビームノズル８が９０°の開度を有するように、作業員が手動で第二ユニット４を旋回させ、固定ピン６５で位置決めをする。

また、橋梁等の鋼構造物の狭隘部等の塗膜を剥離する場合には、例えば、図４（ｂ）に示したように、ハンドル１３に対してビームノズル８が１８０°の開度を有するように、作業員が手動で第二ユニット４を旋回させ、固定ピン６５で位置決めをする。

ここでは、ビームノズル８の開度が９０°である側面照射時と、ビームノズル８の開度が１８０°である正面照射時との場合について説明したが、ビームノズル８の開度は９０°〜１８０°の範囲内の角度で任意に設定することができる。

上述した本実施形態に係る表面処理装置１によれば、コリメートレンズ３１を含む第一ユニット３と、集光レンズ４１を含む第二ユニット４とを別体に形成し、第二ユニット４を第一ユニット３に対して旋回可能に構成したことにより、レーザ光Ｌを取り出してから集光するまでのエネルギー密度が低い状態でレーザ光Ｌを伝送することができ、コネクタや光学部品の小型化を図ることができる。

したがって、本実施形態によれば、第一ユニット３及び第二ユニット４を含むレーザヘッド１１の小型化を図ることができ、特に、回転部である第二ユニットの小型化を図ることができる。その結果、橋梁等の工事現場への運搬を容易にすることができるとともに、狭隘部にも容易に対応することができる。

上述した表面処理装置１は、例えば、橋梁等の鋼構造物の表面にコーティングされた塗膜や表面被覆材、構造物の表面に発生した錆や付着した汚れ等を剥離又は除去する処理（いわゆる、ケレン処理）を行う装置である。また、かかる表面処理装置１は、橋梁以外の鋼構造物やコンクリート構造物等の表面においても使用することができる。

本発明は上述した実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変更が可能であることは勿論である。

１ 表面処理装置
２ 光ファイバー
３ 第一ユニット
４ 第二ユニット
５ 第三ユニット
６ 旋回部
７ レンズカバー
８ ビームノズル
９ 近接センサ
１１ レーザヘッド
１２ 基板
１３ ハンドル
１４ ハンドルブラケット
２１ コネクタ
３１ コリメートレンズ
３２ ハウジング
３３ ソケット
３４ 支持部材
３５ 反射ミラー
４１ 集光レンズ
４２ 駆動ミラー
４３ ハウジング
４３ａ 側面
４３ｂ 摺動面
４４ 駆動モータ
４５ 支持部材
５１ モータドライバ
５２ 電圧電流変換器
５３ ハウジング
５４ コネクタ
６１ 内筒
６２ 外筒
６３ 無給油ブッシュ
６４ Ｏリング
６５ 固定ピン
７１ 開口部
７２ 胴部
７３ 蓋体
７３ａ 本体部
７３ｂ 壁部材
７３ｃ フランジ部
７４ ガス供給口
７５ 隙間
８１ バキューム用開口部
８２ 側面部
８３ バキューム用ガイド
８４ コネクタ
８５ 空間
９１ 信号出力部

Claims (5)

1. 光ファイバーから伝送されたレーザ光を外部に取り出すコリメートレンズを備えた第一ユニットと、
   前記第一ユニットに対して相対的に旋回可能に配置されるとともに前記レーザ光を集光してレーザビームを照射する集光レンズを備えた第二ユニットと、を備え、
   前記第二ユニットの旋回部は、前記レーザ光をコリメートしてから集光するまでの光路間に配置されており、
   前記集光レンズの外面を覆うとともに前記レーザビームを照射可能な開口部を備えたレンズカバーと、該レンズカバーに接続され前記レーザビームの光路を囲うビームノズルと、を備えた
   ことを特徴とする表面処理装置。
2. 前記旋回部は、内筒及び外筒を備えた二重管構造を有しており、内筒は光路を形成し、外筒はケーブル類の通路を形成している、ことを特徴とする請求項１に記載の表面処理装置。
3. 前記ビームノズルは、側面部に形成されたバキューム用開口部と、該バキューム用開口部が形成された側面部に沿って配置されたバキューム用ガイドと、を有することを特徴とする請求項１に記載の表面処理装置。
4. 前記レンズカバーは、前記集光レンズの表面にエアパージ可能な隙間を有する、ことを特徴とする請求項１に記載の表面処理装置。
5. 前記ビームノズルの先端の位置を計測する近接センサと、前記ビームノズルが適正な位置にある場合と前記ビームノズルが適正な位置より遠い場合と前記ビームノズルが適正な位置より近い場合とを区別して異なる信号を発信可能な信号出力部と、を備えていることを特徴とする請求項１に記載の表面処理装置。
   

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