JPH11269683A - 金属表面から酸化物を除去する方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 この発明は、レーザビームを用いて金属表面
から酸化物を完全に除去する方法及び装置を提供するこ
とを課題とする。 【解決手段】 パルス放射ビーム２０は発散球面レンズ
２２により発散してビーム２４となり、第１のシリンド
リカルレンズ２６によって鉛直なＸ方向４８に平行なビ
ーム２８となり、さらに第２のシリンドリカルレンズ３
０を通って水平なＹ方向５０に平行なビーム３２になっ
た後、第３のシリンドリカルレンズ３４を通って入射ビ
−ム３６となり、矢印４２の方向に移動する金属ストリ
ップ４０の酸化物で覆われた表面４４を横切るように投
影される直線３８上に集光される。入射ビ−ム３６は、
ストリップの表面４４を掃除して酸化物のない表面４６
を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、電磁放射線を用
いて金属から酸素を除去する方法及び装置に関する。特
に、この発明は、パルスレーザを使用して極めて短いパ
ルス幅と極めて高いパルス周波数及び高い平均出力を有
する電磁放射線を生成し、各パルスで酸素の分子層を蒸
発させることにより金属のスケール除去を行うことを含
んでいる。

【０００２】

【従来の技術】金属製造工業におけるより環境志向の方
法の一つは、鍛造、ホットストリップミルのローラ加
工、あるいは焼きなましの間に形成される酸化物やスケ
ールを除去するためにスチールのような金属のウエット
酸浸漬法である。このスケールを除去する技術は、今世
紀の初め以来ほとんど変わっていない。低炭素で電気的
なスチールストリップが約２５０ｍ／分の速度で塩酸中
に浸漬される。ステンレススチールは、よりしっかりと
固着するスケールを有しており、酸浸漬の前にショット
ブラストあるいはローラ平滑化によりスケールをほぐし
たり砕く必要がある。さらに、ステンレススチールの浸
漬は、フッ化水素、硫酸、硝酸等のより強い酸を必要と
すると共により長い浸漬時間を要し、その結果、処理ラ
インにおけるストリップの速度は約３０〜１００ｍ／分
となる。この種のスケール除去法を改良する最大の理由
は、浸漬に用いる酸自体と環境処理のためのコストであ
る。一つの製造ラインに伴う年間のコストは、有害な酸
の処理だけで８００万ドルにもなる。化学的なスケール
除去法の最大の欠点は、浸漬に用いられた化学薬品の処
理に関する環境問題である。

【０００３】スチールからのスケールの除去にあたり、
レーザを用いて除去したり補助することが知られてい
る。例えば、米国特許第４，０６３，０６３号は、酸化
膜を急速に且つ局部的に加熱するに十分な強度を持った
ＣＯ_２レーザビームを金属の表面に照射することにより
金属製品からスケールを除去する方法に関している。こ
の特許に記載されたレーザは、１０ｋＷものビームパワ
ーを有している。しかしながら、後続する作業は、パル
スまたは連続波ＣＯ_２レーザを用いたのでは、酸浸漬に
より達成されたラインの速度と同等の速度で酸化物のス
ケールを完全に除去することができないことを示してい
る。非現実的な多数の費用のかかるレーザによってのみ
同等のスケール除去率を達成できる。

【０００４】特願平２−１９７５８８号は、スチールか
らスケールや錆びを除去する方法に関している。スチー
ル上のスケールや錆びに波長１００−４００ｎｍでパル
ス持続時間２００ｎ秒以下のエキシマレーザビーム等の
電磁スペクトルのＵＶ波長域にあるレーザビームが照射
され、スケールや錆びに細かいクラックが形成される。
エキシマレーザの出力は約３００Ｗに限定され、パルス
周波数は１ｋＨｚ未満であるので、経済的なライン速度
でスチールからスケール等を除去するためには非現実的
な多数の費用のかかるエキシマレーザが必要になるであ
ろう。

【０００５】ＣＯ_２レーザ、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ、エキ
シマレーザは、遠赤外線（ＣＯ_２の１０．６μｍ）から
近赤外線（Ｎｄ：ＹＡＧの１．０６４μｍ）及び紫外線
エキシマ（ＸｅＣｌの０．３０８μｍ、ＫｒＦの０．２
４８μｍ、ＡｒＦの０．１９３μｍ）までの波長域にわ
たる最も一般的な高平均出力の工業用レーザである。高
いスケール除去率を得るためには、非常に高出力のレー
ザを使用する必要がある。例えば１ｋＷ以上の高い平均
出力を有する商業的に入手しやすいレーザの多くは、連
続波（ＣＷ）モードで動作する。連続波動作は、除去さ
れた物質の成分により生成されるプラズマプラムによっ
て入射レーザビームが吸収されるという問題を備えてい
る。これは、連続波レーザ処理に伴う長い居留時間によ
っている。これは、「レーザ照射によるオーステナイト
系スチールのスケール除去法」（Ｐｒｏｃ．ＩＣＡＬＥ
Ｏ９４，Ｏｒｌａｎｄｏ，Ｆｌａ，１０月１７−２０
日，１９９４年）の題名の論文で開示されたシュルター
等の研究によって確認されている。この論文は、入射レ
ーザビームが生成されたプラズマプラムと反応するに十
分なほどパルス持続時間が長く、入射レーザのエネルギ
ーの一部がこのプラズマによって吸収されてそれ以上酸
化物を除去することができないため、パルスＣＯ_２レー
ザでも酸化物除去には効果がないことを示すデータを提
供している。最終的な結果は、低いスケール除去率とな
る。ウエーナー等は、「エキシマレーザ照射による金属
表面の酸化層の除去法」（Ｐｒｏｃ．ＥＣＬＡＴ９０，
Ｖ２，第９１７頁）の題名の論文で、エキシマレーザか
らの例えば１０−２５０ｎ秒の短いパルスが酸化層の除
去により効果的であることを開示しているが、これらの
レーザは例えば２５０Ｗ以下の低い平均出力で且つ例え
ば１ｋＨｚ以下の低い周波数でのみ使用することができ
る。酸化層を蒸発させる熱量に基づく本出願人による
「ボールパーク」の推定では、３１ｍ／分の速度で移動
する幅１ｍのアルミニウム表面の一側部から５μｍ厚の
酸化アルミニウム層を除去するためには１００ｋＷの平
均レーザ出力が必要となる。４５ｋＷのＣＯ_２レーザが
Ｔｒａｎｓ Ｔｅｃ／Ｃｏｎｖｅｒｇｅｎｔ Ｅｎｅｒ
ｇｙ社から入手可能であるが、それは連続波モードで動
作するものである。従って、この４５ｋＷのＣＯ_２レー
ザを２台用いて幅１ｍのアルミニウム表面をカバーして
も、上述した連続波レーザあるいは長いパルス幅レーザ
に伴うプラズマ吸収の問題のために所望のスケール除去
率は達成されない。短いパルス幅のエキシマレーザから
このような出力を得ることは、所望の幅の対象物に対し
てそれぞれほんの一部を処理する、例えば４００もの多
数のレーザを用いることによってのみ可能となる。この
ように、従来の工業的なレーザは、スチールの酸化層の
経済的な除去には適さない。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】これら従来のレーザに
よるスケール除去法の主たる欠点は、高速で移動するス
チールストラップから完全にスケールを除去することが
できないということである。また、従来のレーザ技術に
よって完全にスケールを除去するために低速度でストラ
ップを移動させると、経済的でなくなる。

【０００７】そこで、その処理に環境的な問題を引き起
こす酸を使用せずに金属からスケールを除去する方法が
望まれている。高速で移動する酸化金属ストラップにス
ケールをほぐして完全に除去するためのショットブラス
ト前処理を施す必要のないスケール除去法が要求されて
いる。レーザによる方法では、スケール層を経済的に除
去し得ることが要求されている。これを実現するために
は、レーザは、金属ストリップからの金属酸化物の除去
を助長する酸及び／またはショットブラストを用いるこ
となく従来の酸浸漬により達成されるライン速度で酸化
物を除去することができる程大きな平均出力を有してい
なければならない。また、レーザは、最小限のレーザ光
子数で済むように、効率よく酸化物の除去をすることが
望まれている。これを実現するためには、レーザは、非
常に短いパルス幅と、高い周波数と、最も高いスケール
除去率が得られるように選択された波長とを有する必要
がある。さらに、レーザの設備コストと運転コストとが
この方法の経済性を正当化するのに納得できるようなも
のであることが望まれる。

【０００８】この発明の主たる目的は、レーザ放射を用
いて、除去される酸化物（スケール）の単位体積当たり
最小の入射エネルギーで金属の表面酸化物を除去する方
法及び装置を提供することにある。この発明の他の目的
は、金属から酸化膜を完全に除去することができるスケ
ール除去方法及び装置を提供することである。また、
（例えば、３０ｍ／分以上の）高速で移動する金属スト
リップから酸化膜を完全に除去することができるスケー
ル除去方法及び装置を提供することも目的としている。
さらに他の目的は、化学薬品、薬品の処分、酸化膜のシ
ョットブラスト、及び大型でコストのかかる酸浸漬ライ
ンの必要のない、スケール除去方法及び装置の提供を含
んでいる。

【０００９】

【課題を解決するための手段】この発明は、レーザ放射
線を用いて金属から酸化物のスケールを除去する方法及
び装置に関している。この方法は、非常に短いパルス幅
と、非常に高い周波数と、非常に高い平均出力とを有す
る電磁放射線の利用を含んでいる。レーザ放射線は、少
なくとも一つの光学部材を通り、金属表面に接するとき
に少なくとも約５ＭＷ／ｃｍ^２の表面出力密度を有する
入射ビームに集光される。集光された放射ビームは、酸
化物で覆われた金属の表面を完全に横切るように広が
り、一つ以上のレーザパルスによる蒸発により酸化物を
除去し、これにより酸化物のない表面を形成する。

【００１０】この発明の他の特徴は、紫外線領域の波長
を有するレーザ放射線にある。この発明の他の特徴は、
光学部材がレンズ、ミラーあるいはそれらの組み合わせ
からなることである。この発明の他の特徴は、光学部材
が一列に整列された部材の組み合わせからなることであ
る。この発明の他の特徴は、前記の部材が、放射ビーム
をそれぞれレーザから発せられたビームより小さな出力
を有する複数の集光されたサブビームに分割する手段を
含むことである。この発明の他の特徴は、前記の部材
が、各サブビームを均質化して、集光されたビームを相
対的に均質に且つ空間的に出力分散する手段を有するこ
とである。この発明の他の特徴は、均質化する手段が、
段階状の屈折率分布を有する光ファイバと、この光ファ
イバの一端に放射ビームを集光させるレンズとを含むこ
とである。この発明の他の特徴は、均質化する手段が、
その頂部で鋭い半径を有する線形の発散レンズを含むこ
とである。この発明の他の特徴は、前記のサブビーム
が、金属表面の幅全体を横切るように延びる少なくとも
一つの線上に集光される、あるいは金属表面の幅全体に
わたって移動する点の上に集光されることである。この
発明の他の特徴は、前記のサブビームが、１０−７５°
の鋭角で金属表面に接することである。

【００１１】この発明の他の特徴は、蒸発した酸化物を
粉末に収集する、付加的な工程を含むことである。この
発明の他の特徴は、金属表面の接触点と酸化物を除去し
た表面を非酸化性のガスで保護する、付加的な工程を含
むことである。この発明の他の特徴は、前記のレーザパ
ルス幅が、１００ピコ秒より短いことである。この発明
の他の特徴は、前記のレーザパルスの周波数が、少なく
とも１ＫＨｚであることである。この発明の他の特徴
は、前記のレーザの平均出力が、少なくとも１ＫＷであ
ることである。この発明の他の特徴は、前記の金属が、
レーザビームパルスの周波数に対応した速度で移動す
る、熱間圧延あるいは焼なましされたストリップである
ことである。この発明の他の特徴は、前記の金属が、少
なくとも１ｍ／分の速度で移動するストリップであるこ
とである。

【００１２】この発明に係る装置は、非常に短いパルス
幅と、非常に高い周波数と、少なくとも約５ＭＷ／ｃｍ
^２の表面出力ビーム密度とを有する電磁放射線を生成す
ることができるレーザと、放射線を集光して入射ビーム
とする少なくとも一つの光学部材と、酸化物のクズを除
去し且つきれいになったストリップの表面を保護するた
めの非酸化性のガスを収容すると共に酸化物で覆われて
移動する金属ストリップを処理する、密閉された反応室
とを含んでいる。反応室は、酸化物で覆われたストリッ
プを受け入れるための入口と、酸化物が除去されたスト
リップを通すための出口と、放射線を反応室内に受け入
れるための少なくとも一つの細長い窓と、反応室から蒸
発した酸化物を除去する手段とを含んでいる。

【００１３】この発明の他の特徴は、前記のレーザ放射
線が、紫外線領域の波長を有することにある。この発明
の他の特徴は、前記の反応室が、蒸発した酸化物のクズ
を含む非酸化性のガスを反応室から除去するための排気
ダクトと、ガスから酸化物のクズを粉末として除去する
ためのフィルタと、酸化物のクズが除去されたガスを反
応室に戻すための帰還ダクトとを含んでいることであ
る。この発明の他の特徴は、前記の反応室が、酸化物の
クズが除去されたガスを帰還ダクトを介して戻すための
送風機を含んでいることである。この発明の他の特徴
は、前記の反応室が、ガスを反応室に向けるノズルを含
んでいることである。

【００１４】この発明の他の特徴は、前記の光学部材
が、少なくとも一つのレンズ、ミラーあるいはそれらの
組み合わせからなることである。この発明の他の特徴
は、前記の光学部材が、一列に整列された部材の組み合
わせからなることである。この発明の他の特徴は、前記
の光学部材が、放射ビームを複数の集光されたサブビー
ムに分割する手段を含み、前記の反応室がそれぞれ対応
するサブビームを受け入れるための複数の窓を含むこと
である。この発明の他の特徴は、前記の光学部材が、放
射線を均質化して、集光されたビームにわたって相対的
に均質に且つ空間的に出力分散する手段を有することで
ある。この発明の他の特徴は、前記の光学部材が、その
頂部で鋭い半径を有する線形の発散レンズを含む均質化
手段を備えたことである。この発明の他の特徴は、前記
の光学部材が、段階状の屈折率分布を有する光ファイバ
と、この光ファイバの一端に放射ビームを集光させるレ
ンズとを含む均質化手段を備えたことである。この発明
の他の特徴は、前記の放射ビームが、一つの線上に集光
されることである。

【００１５】この発明の主たる効果は、酸浸漬を用いず
に金属からスケールを除去し得ることである。この発明
の他の効果は、酸化物を蒸発させて酸化物のクズが処分
のために容易に収集され得るスケール除去方法が提供さ
れることである。また、他の効果は、高い平均レーザ出
力と高いパルス周波数と非常に短いパルス幅と最適なレ
ーザ波長を選択し得ることから公知のレーザ除去法より
迅速にスケールを除去できることである。これらのレー
ザの特性は、すべて高平均出力のフリーエレクトロンレ
ーザから得ることができる。上記の及び他の目的、特
徴、効果が、以下の詳細な説明並びに添付図面により明
らかになるであろう。

【００１６】

【発明の実施の形態】この発明の方法は、レーザを用い
てスチールストリップ等の金属から酸化物すなわちスケ
ールを除去することに関している。この方法は、非常に
短いパルス幅と、非常に高い周波数と、高い平均出力と
を有する電磁放射線を使用し、この放射ビームをシリン
ドリカルレンズ、ミラーあるいはそれらの組み合わせ等
の一列に整列された光学部材に通して移動中の金属スト
リップの幅方向にわたって投射されるスポットに集光す
ることを含んでいる。あるいは、放射ビームを先ず均質
化手段に通して均一な強度を有するビームとし、次にこ
のビームを一列に整列された光学部材に通して移動中の
金属ストリップの幅方向にわたって投射される直線上に
集光してもよい。酸化物で覆われたストリップ表面への
入射点におけるレーザ放射線の表面出力密度は少なくと
も５ＭＷ／ｃｍ^２である。レーザビームの平均出力によ
っては、それぞれストリップの全幅より短い長さ／直径
の線またはスポットに集光される、より小さな出力を有
する一連のサブビームに分割することもできる。しかし
ながら、ストリップの全幅をこのような互いに隣接する
一連のサブビームで覆い、各パルス放射時間で酸化層を
蒸発することによりストリップの幅方向に沿った酸化物
被覆表面のスケール除去を行うためには十分な数のビー
ムスプリッタとシリンドリカル集光光学部材またはスポ
ットスキャニング光学部材が必要になる。放射ビームを
サブビームに分割すると、元のビームの出力がサブビー
ムの数に反比例して減少される。

【００１７】密閉された装置は、スケールが除去されて
きれいになった表面上に粒子が再び付着しないように蒸
発した酸化物のクズを除去する。装置は、集光されたビ
ームの反応ゾーンまたはビームと表面との接触部に吹き
付けられて蒸発した金属酸化物の粒子を吹き飛ばすため
の非酸化性のガス、例えばヘリウムやアルゴンを収容し
ている。また、蒸発したクズを搬送する不活性ガスを、
クズを最終的な処分のために粉として回収するフィルタ
を通してスケール除去チャンバから排気する真空排気ダ
クトが備えられている。集光されたレーザビームの入射
角は、ストリップ表面に垂直ではなく、ある鋭角で入射
して、蒸発したクズにより生成されるビームパルスによ
ってレーザビームの反応と吸収を軽減するようにするこ
とが好ましい。

【００１８】酸化物層のその深さ全体にわたる除去は、
同じビーム照射箇所に多数のレーザビームパルスを発す
ることにより達成される。各パルスは、ベースとなる金
属層に達するまで分子酸化物層を蒸発させる。これは、
パルス周波数と集光されたレーザビームの長さ方向に移
動するストリップ表面のライン速度とにより決定される
各位置でのビームの持続時間によって制御される。除去
される酸化物の深さは、種々の減衰器を用いたレーザの
全体の平均出力の調節と所定のパルス周波数に対する各
パルスのエネルギーを調節することにより制御すること
ができる。

【００１９】この発明におけるレーザは、最小限の数の
レーザで且つ経済的に魅力的な速度で金属酸化物（スケ
ール）を除去し得る独特の特性を有している。レーザ
は、例えば１ナノ秒未満の非常に短いパルス幅と、例え
ば１秒当たり１００万パルス以上の非常に高い周波数
と、例えば１−１０００ＫＷの高い平均出力とを有する
電磁放射線を生成する。この種のレーザの一例が、フリ
ーエレクトロンレーザ（ＦＥＬ）である。フリーエレク
トロンレーザは、スペクトルの近紫外線、可視光、近赤
外線の広い波長域で動作できるという利点を有してい
る。例えば紫外線領域のように波長が短いほど、スケー
ル層に効率よく吸収されてスケールの除去速度が高まる
と考えられるので、この発明のフリーエレクトロンレー
ザは、放射線が紫外線領域の波長を有するように動作す
る。しかしながら、レーザは電磁スペクトルの可視光、
近赤外線及び中赤外線の波長域で動作させることもで
き、効率のよいスケールの除去を行うことができる。

【００２０】フリーエレクトロンレーザは、動作するた
めに電子ビーム加速器を必要とする。電子の束が加速器
に入射される。ここで用いられた方法は、Ｂｅｎｓｏｎ
等により文献“Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ａｎ
Ａｃｃｅｌｅｒａｔｏｒ Ｒｅａｄｙ Ｐｈｏｔｏ Ｃ
ａｔｈｏｄｅ Ｄｒｉｖｅ Ｌａｓｅｒ ａｔ ＣＥＢ
ＡＦ”、プロセス粒子加速器コンファレンス、１９９
５、ダラス、テキサス、に開示されたような、低平均出
力レーザを使用してターゲット材に衝撃を与えて電子を
解放するものである。このフォトカソード法により電子
の束が生成され、これらは種々の超伝導高周波モジュー
ルにより光速に極めて近い速度にまで加速される。これ
らの相対論的なエネルギーを有する電子の束は、それぞ
れ電子の移動方向に垂直にローレンツ力が作用するよう
に互い違いに配向された複数の磁場からなる“ウィグラ
ー（ｗｉｇｇｌｅｒ）”部を通過する。“ウィグラー”
内では、次の磁場が一つ手前の磁場に対して反対方向を
向いているので、電子の束はその移動方向に垂直なロー
レンツ力を受けるが、一つ手前の磁場で受ける力から１
８０°異なった向きの力を受ける。従って、電子の束の
軌跡は、“ウィグラー”を通る移動の主たる方向に沿っ
てジグザグとしたものとなる。電子は荷電粒子であるの
で、電子の束がウィグラーを通るときに受ける横方向の
加速により電磁放射線が発せられる。この放射線は、電
子の束の移動方向にほぼ置かれているミラーによって増
幅される。この放射線は、横方向に加速され自由に移動
する電子の束により生成されるような実際のレーザビー
ムを生じさせる。レーザから高い平均出力が得られるよ
うに、電子の束を連続的に生成することは可能である。
“ウィグラー”の各磁石を通過する電子の束はレーザ放
射線のパルスを生じさせる。束内の電子が多いほど、放
出されるレーザパルス当たりのエネルギーが高く、束が
多いほど、パルス周波数が高く、従って平均レーザ出力
が高くなる。このため、高い平均出力レーザを得るため
に重要なことは、高い平均電子ビーム電流である。これ
は、レーザのフォトカソードが、出来るだけ高い周波数
でそれぞれの束に出来るだけ多くの電子を生成すべきで
あることを意味している。連続的にこれができれば、高
いパルス周波数の高い平均出力を有するレーザ得られ
る。これまでに多数のフリーエレクトロンレーザが作ら
れたが、どれも高い平均出力を生成することができず、
また連続した長い動作時間を実現できなかった。連続的
に動作する平均出力１００ＫＷのＦＥＬは、経済的に魅
力のある速度でスケール除去を行うことができる。

【００２１】スケール層は、各パルスで酸化物の分子層
を蒸発させることにより除去される。「蒸発により」と
は、レーザパルスが酸化物の溶解熱さらには気化熱に打
ち勝って酸化物の温度を蒸発温度にまで上昇させるのに
十分なエネルギーを発することを意味している。蒸発に
よるスケール除去は、爆発的な衝撃波により酸化物を除
去すること、結合酸素を解離して金属基板から酸化物層
を吹き飛ばすこと、あるいはこの種のレーザにより生成
される非常に短いパルス幅と高いピーク出力から得られ
る他のメカニズムを含んでいる。非常に短いパルス幅と
パルス当たりの高いピーク出力による利点は、衝撃波の
メカニズムあるいは酸化物の結合酸素の解離等の他のメ
カニズムが単純な熱のみによるよりも高いスケール除去
速度を可能とすることである。

【００２２】この発明で用いられたＦＥＬレーザは、Ｔ
ｈｏｍａｓ ＪｅｆｆｅｒｓｏｎＮａｔｉｏｎａｌ Ａ
ｃｃｅｌｅｒａｔｏｒ Ｆａｃｉｌｉｔｙ（ｔｈｅ Ｊ
ｅｆｆｅｒｓｏｎ ＬＡＢ）で製造されている。このレ
ーザは、「工業用フリーエレクトロンレーザ」（Ｖｏ
ｌ．Ｉ，１９９５年５月）の題名でＤｅｐａｒｔｍｅｎ
ｔ ｏｆ Ｅｎｅｒｇｙ Ｒｅｖｉｅｗ ｒｅｐｏｒｔ
に記載されている。Ｔｈｅ Ｊｅｆｆｅｒｓｏｎ ＬＡ
Ｂは、バージニアのニューポート・ニューズにあり、Ｓ
ｏｕｔｈｅａｓｔｅｒｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｉｅｓ
Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ（ＳＵＲ
Ａ）によりＤＯＥのために活動している。このレーザの
二つの重要な特徴は、他のＦＥＬと異なり、連続的な動
作と高い平均出力である。これらの特徴は、レーザによ
るスケール除去のような連続的な高速の工業的方法のた
めにこのようなレーザを使用するには欠かせないもので
ある。

【００２３】この発明では、非常に短いパルス幅という
のは、１ナノ秒未満、望ましくは１００ピコ秒未満、さ
らに望ましくは１０ピコ秒未満、最も望ましくは６ピコ
秒未満の持続時間を意味している。１フェムト秒ほどの
パルス幅でも可能である。この非常に短いパルス幅は、
効率のよいスケール除去を行うために必要とされる重要
な特徴である。レーザ放射線による物質の蒸発能力は、
例えば５００万ワット／ｃｍ^２（５ＭＷ／ｃｍ^２）より
大きい、十分に高い表面積出力密度を加えることによっ
ている。パルス当たりの出力は、パルスエネルギーをパ
ルス幅で割ることにより算出される。さらに、パルス当
たりの表面積出力密度は、パルス当たりの出力を集光さ
れたレーザスポットの面積で割ることにより決定され
る。従って、パルス幅が短いほど、蒸発させるための十
分な表面出力密度に達するのに要するパルス当たりのエ
ネルギーは低くなる。もちろん、それぞれのパルスによ
って蒸発する物質の量は、各レーザパルスのにおける総
エネルギーにより決定される。例えば、１秒当たり３０
００万パルスの周波数（３０ＭＨｚ）で作動する１ＫＷ
のＦＥＬレーザからの一つのパルスに３３．３μジュー
ルのエネルギーがあるとすれば、２ｃｍ^２の面積の５μ
ｍ厚の酸化鉄の層を除去するために１０万パルスが必要
になる。しかしながら、周波数が非常に高いので、この
２ｃｍ^２の面積は、１／３０秒で５μｍの深さまでスケ
ール除去される。レーザの平均出力が大きくなるほど、
各パルスのエネルギーが大きくなって、パルス毎により
大きな体積の酸化物を蒸発させることができ、その結
果、全体のスケール除去率が向上する。平均レーザ出力
が１００ＫＷに増加されると、同じ１／３０秒で２００
ｃｍ^２の面積を５μｍの深さまでスケール除去すること
が可能となる。

【００２４】非常に短いパルス幅により得られるもう一
つの利点は、入射レーザパルスの大部分を吸収して表面
からのスケールの除去率を低減させるプラズマプラムが
発生するための十分な時間が存在する前にパルスからの
エネルギーで酸化層を効率よく除去できることである。
酸化物の分子層は、１ピコ秒の単位で除去され、次のレ
ーザパルスが次の分子酸化層を除去するために照射され
る前に不活性ガスの吹き付けにより取り除かれる。これ
により、ビームがプラズマと反応するためにエネルギー
を損失することなく、平均レーザ出力の全てが酸化物の
除去に利用される。これは、連続波（ＣＷ）レーザの作
用に優る重要な利点である。パルス幅は、１フェムト秒
から１００ピコ秒の範囲内にある。

【００２５】この発明では、非常に高い周波数というの
は、少なくとも１ＫＨｚで、約１ＭＨｚ（１秒当たり１
００万パルス）であることが望ましい。さらに、パルス
当たりのエネルギーはフリーエレクトロンレーザのウィ
グラーを通る各束の電子の数によって制限されるため、
１０ＭＨｚを超えるパルス周波数が推奨される。さらに
望ましくは、パルス周波数は少なくとも３０ＭＨｚで、
最も望ましいのは、少なくとも４０ＭＨｚで１ＧＨｚ
（１秒当たり１０億パルス）に達するような周波数を使
用することができる。スケール除去率を決定することと
なるため、レーザビームの高い平均出力が望まれる。計
算上では、経済的な速度でスケールの除去を行うために
は、およそ１００ＫＷのレーザビーム出力が必要とされ
る。ここで、パルス周波数とパルス当たりのエネルギー
との積はレーザビームの平均出力に等しい。例えば、パ
ルス当たりのエネルギーが３．３３ミリジュール（０．
００３３３ジュール）であるとすると、パルス周波数が
３０ＭＨｚで全体のビーム出力が１００ＫＷとなる。電
子加速器内で循環する各束に非常に多数の電子を注入す
ることによりパルス当たりのエネルギーを３．３３ジュ
ールに増加させることができれば、パルス周波数を３０
ＫＨｚに下げても全体で１００ＫＷの平均ビーム出力を
得ることができる。

【００２６】この発明では、高い出力とは、少なくとも
１ＫＷの平均出力を意味している。望ましくは、出力は
１ＫＷより大きく、さらに望ましくは少なくとも１０Ｋ
Ｗであり、最も望ましくは少なくとも１００ＫＷであ
る。レーザによる酸化層除去の魅力ある経済的な方法を
形成するには、１００ＫＷの出力が要求される。より低
い平均レーザ出力でも酸化層を除去することはできる
が、除去速度が遅くなってしまい、高速で除去するため
には多数のレーザが必要となってしまう。

【００２７】この発明では、金属とは、鍛造、熱間圧
延、焼きなまし等の加熱処理の間に酸化され得るいかな
る金属をも意味している。このような金属は、低炭素
鋼、中炭素鋼、高炭素鋼、ニッケル鋼、クロム鋼、ステ
ンレススチール、電炉鋼等の鉄を主成分とする材料と、
ニッケル、アルミニウム、銅、チタン及びこれらの合金
等の非鉄金属とを含んでいる。この金属は、連続ストリ
ップ、シート、箔、バー、ビレット、スラブ、鋳物等の
状態にあればよい。鉄金属に対しては、金属酸化物ある
いはスケールは主に鉄酸化物となる。

【００２８】図１において、参照番号２０は、第１の発
散球面レンズ２２のような一つ以上の光学部材上に入射
する電磁パルス放射線を示している。パルス放射線２０
は、長方形の断面形状で図示されているが、この未処理
の集光されていないビームは、正方形、円、楕円等の他
の断面形状を有していてもよい。以下に詳しく説明され
るように、放射線２０はその空間的な広がりに対して一
定の強度分布を有していることが重要である。発散する
電磁放射ビーム２４は、このビーム２４を鉛直なＸ方向
４８に平行なビーム２８にする第１のシリンドリカルレ
ンズ２６を通る。鉛直方向に平行なビーム２８は、次
に、ビームを水平なＹ方向５０に平行なビーム３２にす
る第２のシリンドリカルレンズ３０を通る。ここで、ビ
−ム３２は、レンズ２２、２６及び３０の組合せによっ
て形成されるアナモルフィックのコリメ−タにより水平
方向及び鉛直方向の双方において平行となる。これら三
つのレンズの焦点距離と間隔を適宜選択することによ
り、レンズ３２を出射するビ−ム３２の水平方向のサイ
ズ及び平行度と鉛直方向のサイズ及び平行度とを互いに
独立に調節することができる。ビ−ム３２は、次に第３
のシリンドリカルレンズ３４を通って入射ビ−ム３６と
なり、矢印４２で示される移動方向を有する金属ストリ
ップ４０の酸化物で覆われた表面４４を横切るように投
影される直線３８上に集光される。入射ビ−ム３６は、
ストリップの表面４４を掃除して酸化物のない表面４６
を形成する。横方向に集光された直線３８の長さは、整
列された光学部材３０及び３４の物理的な横方向の長さ
と整列された光学部材２２、２６及び３０の焦点距離と
間隔の選択により制限される所望の値をとり得る。好ま
しくは、ストリップ４０は、重力が作用する鉛直方向に
移動する。

【００２９】図１は、ストリップ４０の一方の面のみか
らスケールを除去する様子を示している。通常、金属ス
トリップは、他方の面にもスケールが形成されており、
両面を掃除する必要がある。ストリップの一方の面を図
１に示されるようなレーザ光学システムで掃除した後、
ストリップをコイル状に巻回し、そのコイルからストリ
ップを再びレーザ光学システムに通すことによりストリ
ップの他方の面も掃除することができる。あるいは、図
１に示されるようなレーザ光学システムを二つ配置し、
一方のシステムの放射線をストリップの一方の面に入射
させ、他方のシステムの放射線をストリップの他方の面
に入射させて、ストリップの両面を同時に掃除すること
ができる。

【００３０】この発明のもう一つの重要な特徴は、直線
上に集光されたレーザが、その直線の長さにわたって均
一な強度分布を有することである。これにより、集光さ
れた直線の全長にわたって一様な厚さの酸化物をすべて
除去することができる。どのようなタイプの光学システ
ムが用いられるかに応じて、この一様な除去を達成する
ために使用し得る多数の方法がある。代表的なビーム均
質化装置が図２に示されている。全出力のレーザビーム
５６は、ガウス分布（ＴＥＭ₀₀）、ドーナツモード（Ｔ
ＥＭ₀₁）、またより高次元の空間出力分布を有してい
る。ビーム均質化装置６０の機能は、ビーム５６をその
空間的な広がりにわたって均一なエネルギー強度分布を
有するビーム６２に変換することである。矩形あるいは
シルクハット状の分布６４となる。これを実現する一つ
の方法は、ビームをステップ状の屈折率分布を有する光
ファイバに集光することである。

【００３１】図３は、レーザ５４からの未処理の平行ビ
ーム５６がレンズ６６によりステップ状の屈折率分布を
有する光ファイバ６８の端部に集光される様子を示して
いる。ビームがファイバの長さ方向に沿って伝播する時
に生じる多数の内部反射光が互いに重なり、ファイバを
出るときには均一な空間出力分布７０となる。ファイバ
の出口にはもう一つのレンズ７２が配置され、ビームを
再び平行にする。未処理のフリーエレクトロンレーザビ
ーム５６がそれぞれ例えばわずか１０ＫＷ程の出力のサ
ブビームに分割される場合には、各サブビームがそれぞ
れ１本のファイバ内に集光されて均一な空間出力分布を
形成することができる。しかしながら、フリーエレクト
ロンレーザはかなり広い波長域にわたることができる。
レーザの波長がスペクトルの近紫外線、可視光線、近赤
外線の部分にあるならば、低減衰率の安価なファイバを
使用できるというだけである。放射線は紫外線領域の波
長を有することが望ましい。

【００３２】線上に投影するレーザビームを均質化する
好ましい方法が図４（Ａ）に示されている。この光学シ
ステムは、その頂部で鋭い半径を有するプリズムの形を
した空間的設計の線形発散レンズ７４を使用している。
このようなレンズは、米国特許第４，８２６，２９９号
に開示されている。このレンズは、レーザビーム２０を
一方向にだけ広げて横方向すなわちＹ方向５０に沿って
均一な強度分布を有するレーザ放射線の楔７６を形成す
る。放射線がレンズからＺ方向５２へ発散するにつれて
ビームの横方向の線の長さはＹ方向に線形的に増加す
る。その線の長さに沿った強度分布８２は、完全に均一
ではなく、図４（Ｂ）に示されるようにある変化８４を
有している。投影されたレーザ線８０により付加的な平
凸シリンドリカルレンズ７８が示されており、レーザビ
ームは除去すべき酸化層の表面上の線３８に鋭く集光さ
れる。発散レンズ７４は、レーザビームの入射径を含む
ように設計されなければならない。線状に投影するレン
ズは、それを通るレーザ放射線の波長に基づいた適切な
材料から作る必要がある。これは、この投影レンズによ
り屈折されたときのレーザ放射線の吸収を回避するため
である。例えば、フリーエレクトロンレーザの波長がス
ペクトルの近赤外線域内の１μｍである場合には、溶融
シリカまたはＢＫ７を用いてレーザ線投影レンズを形成
することができる。この材料は、さらにそのレーザ波長
に対して反射防止膜で被覆されていなければならない。
レーザの波長が中赤外線域内の２−７μｍである場合に
は、フッ化カルシウム、フッ化マグネシウム、硫化亜
鉛、またはセレン化亜鉛をレーザ線投影レンズとして使
用することができる。最後段の集光レンズ７８も、同様
の材料から形成され、反射防止膜で被覆されて吸収及び
反射によるレーザの損失を最小限にする。集光されたレ
ーザの線の幅は、このシリンドリカルレンズ７８の焦点
距離によって制御される。レーザの線の長さは、投影レ
ンズ７４が酸化物で覆われた金属の表面からどの程度離
れているかにより決定される。シリンドリカル集光レン
ズ７８の代わりに、図１１に示されるような、レーザ放
射線を偏向させる長い矩形の平面ミラー１６８とシリン
ドリカル凹面集光ミラー１７０との組み合わせを用いる
こともできる。

【００３３】屈折レンズを用いた方法により、全出力が
例えば１００ＫＷのレーザビームは、複数のサブビーム
に分割することができる。図５は、それぞれ金属ストリ
ップ４０の幅の半分を覆って双方で幅全体を覆う一対の
サブビームを示している。この考え方は、いくつのサブ
ビームでも含むように拡張され得る。例えば、ビームが
１０個のサブビームに分割される場合、各サブビームは
金属ストリップの幅の１／１０のスケール除去を行う。
図５の例は、ストリップ４０を受け入れるための密閉さ
れた入口と、密閉された出口９２と、ビーム３６が通る
ための一対の密閉された窓９３とを有する密閉された反
応室９０を含んでいる。さらに、反応室９０は、除去さ
れたスケールのクズをフィルタユニット９６に運ぶため
の排気ダクト９４と、放出ダクト９８と、非酸化性ガス
をガス帰還ダクト１０２を通して帰還ベント１０４から
反応室９０内に循環させる送風機１００とを含んでい
る。ガスは、送風機１００によって再循環され、フィル
タ内に溜まったスケールのクズを取り上げて反応室９０
に戻る。各サブビーム２０は、図１で述べたアナモルフ
ィックのコリメ−タ（レンズ２２、２６、３０）を通
り、または図９で詳述されるミラーで反射され、シリン
ドリカルレンズ３４（または凹面ミラー）により集光さ
れる。

【００３４】図６−８は、反応室９０内における金属表
面４４へのレーザビーム３６の入射点及びその近傍の反
応ゾーンを詳細に示す。反応室９０には、タンク１１０
から供給されるヘリウムやアルゴン等の非酸化性ガス１
０８が収容されている。この不活性ガス媒体は、反応ゾ
ーンを保護し、反応室から蒸発した酸化物の粒子１１８
を運び去るために使用される。入射ビーム３６は、移動
する金属ストリップ表面４４上に収束して集光される矩
形の波面として示されている。好ましくは、ビーム３６
は、垂直でないある鋭角でストリップ表面４４上に入射
する。鋭角は、金属表面に対する法線から測って１０−
７５°の範囲の角度が好ましい。より好ましくは２５−
６０°であり、最も好ましい角度は３０°である。蒸発
したクズにより生成されるプラズマプラム１１２は、ス
トリップ表面に垂直な方向に最も高い強度を有している
ことが知られている。集光された入射光の方向を表面に
垂直な方向からずらせば、生成されたプラズマプラム１
１２による入射ビーム３６の吸収がより少なくなる。こ
れにより、酸化層除去の効率が向上する。プラム１１２
の上及びビーム３６の集光される矩形の波面の上には、
生成されたプラム１１２上に不活性ガス１０８を向ける
ための長いスロット状のガスノズル１１４が配置されて
いる。この発明の重要な特徴は、生成されたプラズマプ
ラムと酸化物が除去された金属表面４６を非酸化性の雰
囲気で囲み、きれいになった金属表面４６の再度の酸化
を防止することにある。プラムときれいになった金属表
面の周りの非酸化性ガスの圧力を維持し、反応室を周辺
環境から密閉することにより、プラズマプラムに隣接す
る反応ゾーンを大気すなわち酸素から遮断することがで
きる。ノズル１１４は、集光される線３８の全長にわた
って延びている。ダクト９４内の排気ベント１１６は、
反応室の入射ビーム３６が入る側とは反対側に配置さ
れ、酸化物のクズ粒子１１８を含む不活性ガスを排気ダ
クト９４内に回収する。ダクト９４とガスノズル１１４
は、好ましくは反応室の入口側すなわち汚れたストリッ
プ表面４４に近接して設けられる。これにより、きれい
になった金属ストリップ上に付着してスケールが除去さ
れたばかりの表面４６を再び汚染するクズの量が最小と
なる。クズ粒子１１８は、未処理の表面４４上に落ちて
入射ビーム３６に晒され、再び蒸発する。酸化物（スケ
ール）のクズ粒子１１８は、矢印１８０の方向で示され
るように反応室の入口側に向かって引き降ろされ、フィ
ルタユニット９６内に配置され且つミクロンサイズのク
ズ粒子を除去するフィルタ１０６に堆積される。ストリ
ップ４０が鉛直方向に移動すれば、クズ粒子が排気ベン
ト１１６に向かってストリップから落ちるように重力が
作用する。フィルタユニット９６は、クズ粒子がフィル
タの下に位置する回収容器（図示せず）内に回収される
ように振動機構を備えることもできる。不活性ガス１０
８は、フィルタ１０６を通過し送風機１００によって循
環され、ノズル１１４を通って反応室９０に再び入り、
さらにクズ粒子１１８を取り上げる。ガスタンク１１０
は、周期的に帰還ダクト１０２内に新たな不活性ガス１
０８を注入してガスの損失分を補充する。ノズル内の圧
力計１２０がガス圧力を監視し、ガスタンクのソレノイ
ドバルブ１２２の制御に用いられる。不活性ガス１０８
とこれにより取り上げられるクズ粒子１１８の流れが図
示され、どのようにクズ粒子が排気ベント１１６に運ば
れるかが図示されている。図１０及び図１１に示される
ようなスポット集光型のスキャニングシステムにも同様
のノズルと排気システムを用いることができる。この場
合、集光された線は集光スポットがスキャnされるスキ
ャンフィールド幅となる。

【００３５】この発明の他の重要な特徴が図８に示され
ている。図８は、大気が反応室９０内に入ることを防止
する重要性を示している。反応室９０内を保護する不活
性ガス１０８の維持に加えて、反応室を適正に密閉する
ことも重要である。例えば、シリンドリカルレンズ３４
は反応室９０の外部及び内部のいずれに配置することも
できるが、レンズ３４を窓９３の内側に設けて密閉する
ことが好ましい。ストリップ４０を受け入れる入口９１
（図６）と出口９２は、いずれもポリピロピレンのよう
なフレキシブルな材料１７８で密閉することが好まし
い。排気ベント１１６に向かうガス速度成分を持つよう
な角度でガスノズル１１４を金属表面４４に向けること
により、酸化物のクズ粒子１１８を含む不活性ガスは排
気ダクト９４の方向に向けられる。ダクト９４とガスノ
ズル１１４を反応室の入口側の汚れたストリップ表面４
４の上方に配置することで、クズ粒子がきれいになった
金属ストリップ上に付着してスケールが除去されたばか
りの表面４６を再び汚染することが防止される。

【００３６】金属の移動方向４２における集光された線
３８の幅は、集光レンズ３４の焦点距離、得られた平行
度、アナモルフィックのコリメ−タの第１のレンズ２２
に入射するビーム２０の発散度により決定される。集光
された線３８の幅を、０．１ｍｍから数ｃｍの範囲で制
御することが可能である。実際の値は、集光された線の
長さ及びパルス当たりのエネルギーによっている。例え
ば、レーザ５４からの１００ＫＷのビーム１４がそれぞ
れ１０ＫＷの１０本のサブビームに分割され、１ｍ幅の
金属ストリップのスケール除去を行う場合、１０本の集
光されたビームのそれぞれは１０ｃｍの長さでほぼ２ｍ
ｍの幅に集光される。レーザが３０ＭＨｚの周波数で且
つ２ピコ秒のパルス幅で作動すると、１０ＫＷのサブビ
ームの各パルスは３３３μジュールのエネルギーとほぼ
８３ＭＷ／ｃｍ^２の表面出力密度を有する。この発明の
重要な特徴は、表面出力密度（Ｗ／ｃｍ^２）が金属スト
リップ上の酸化物を蒸発するほど十分に高いことであ
る。この条件は、集光された線に沿ったパルス当たりの
単位時間のレーザエネルギーが少なくとも５ＭＷ／ｃｍ
^２の表面出力密度を生じさせる基準を満たすように、こ
の線の長さと幅を決定する上でこの発明の基本的なこと
である。

【００３７】これらを考慮した上で、上記の表面出力密
度の制約が維持される限り、金属の移動方向４２に対し
て横方向に集光された線の長さは１ｍｍから２ｍまで、
幅は０．１ｍｍから１０ｃｍまでにすることができる。
例えば、図９に示されるような反射モードシステムにお
いて、平均出力１００ＫＷのレーザビームによる集光さ
れた線３８の長さは金属ストリップの幅全体にわたる１
ｍに延び、その幅は２ｍｍとなる。パルスエネルギー
３．３３ミリジュール、パルス幅２ピコ秒では、上述し
たように屈折レンズシステムにより集光される１０ｃｍ
長さの各部分でパルス当たり８３ＭＷ／ｃｍ^２の表面出
力密度が得られる。同一の金属表面スケール除去能力
が、１００ＫＷの単一の光学システムにより、またはそ
れぞれ１０ＫＷの１０個のサブシステムにより、あるい
はそれぞれ１ＫＷの１００個のサブシステムにより達成
される。どのような光学システムが用いられるかについ
ては、光学部材のコストや入手可能性等の他のことがら
にもよる。

【００３８】他の機械的あるいは化学的な援助を受ける
ことなく、金属ストリップの全面積から酸化層が蒸発さ
れ除去されて酸化物のほとんど無いきれいな金属表面４
６が形成される。例えば、レーザ処理に先立ってショッ
トブラストあるいはローラ平滑化によりスケールをほぐ
したり砕く前処理が必要でなく、またレーザ処理の後に
残ったスケールを溶解するために酸浸漬等の粗略な後処
理が不要である。この発明のスケール除去方法は、有害
な浸漬液の処分の必要がなくなるので、環境にとって極
めて有効な方法である。

【００３９】金属ストリップの表面４４は、金属に付着
した酸化物の厚さを完全に除去するに必要なパルス周波
数とパルスエネルギーに見合った速度で集光された線３
８の下を移動する。金属ストリップは、少なくとも１０
ｍ／分、好ましくは３０ｍ／分、高だか数百ｍ／分の速
度で鉛直方向に連続的に移動するので、例えば３０ＭＨ
ｚもの高いパルス周波数を用いると、複数のパルスが同
じ場所に照射されることになる。一つのパルスのみでは
スケール層を完全に除去するに十分なエネルギーを有し
ていないので、このようなことが必要となる。各パルス
はいくらかの分子層を除去し、ベースとなる金属に至る
までスケール層を完全に除去するには同じ箇所に多数の
パルスが必要となる。

【００４０】スケール除去を要すると思われる最も幅広
い、例えば２ｍの幅の金属ストリップをカバーするに十
分な大きさのレンズ（またはミラー）光学部材を製造す
ることは可能であるが、レンズまたはミラーの複数の組
み合わせがより良い方法であるということもある。ミラ
ー光学システムでは、１組のミラーで１ｍの幅をカバー
することができる。ミラー光学部材は、一般に屈折部材
よりも反射表面上により高い出力密度を受けることがで
きる。屈折部材は、放射線をある程度吸収して温度上昇
してしまう。平均出力が１０ＫＷより高い場合、光学部
材の加熱はビームの直径に依存する大きな影響を及ぼし
得る。特に、使用する波長が例えばセレン化亜鉛等の高
価な屈折材を必要とする場合には、寸法の大きな屈折部
材は対応する反射部材に比べて高価である。この発明
は、レーザ放射線を横方向の線に集光するために平面、
凸面及び凹面ミラーの組み合わせを用いることができ
る。

【００４１】図９は、レーザ放射線を線状に集光するた
めの凸面、平面及び凹面ミラーの組み合わせを使用し
た、この発明の他の実施の形態を示している。入射レー
ザビーム２０は、ビームをＸ方向４８及びＹ方向５０の
双方に発散させて発散ビーム２４とする凸面ミラー１２
４の表面に入射する。発散ビーム２４は、次に、ビーム
をＸ方向に平行にして平行ビーム２８を形成するシリン
ドリカル凹面ミラー１２６に入射する。ビーム２８はＹ
方向に広がり続けた後、ビームをＹ方向に平行にしてビ
ーム３２を形成するシリンドリカル凹面ミラー１２８に
入射する。平行ビーム３２は、その大きさがミラー１２
４、１２６及び１２８の焦点距離と間隔により制御され
る矩形の断面形状を有している。この矩形の断面形状の
Ｙ方向の長さは、この光学システムで処理される金属ス
トリップ４０の所望の幅によって決定される。複数の光
学システムでストリップ表面の幅全体をカバーする場合
には、各光学システムによる長さはストリップの幅の一
部でよい。ビーム３２は、次に、矩形の平面ミラー１３
０で反射され、所望の集光された線３８と同じ長さを有
するシリンドリカル凹面ミラー１３２に入射する。

【００４２】スキャニング集光スポット光学ビーム出射
法も酸化層（スケール）の除去に用いることができる。
この実施の形態に係る光学システムが図１０に示されて
いる。レーザビーム５６は、扱いやすい小出力の複数の
サブビーム５７に分割され、各サブビームは金属ストリ
ップの幅全体のうちの一部にわたってスキャンされる。
一つのビーム５７はビーム径を広げてビームの発散性を
減少させるコリメータ１３４を通る。（レーザから径が
大きく発散性の低いビームが生成される場合には、ビー
ム径を縮小してより扱いやすいサイズにすることが必要
となる。１００ＫＷのＦＥＬレーザからのビームは発散
性が回折程度に限定され、数ｃｍの径を有しているの
で、ビーム径を縮小することが必要となる。）コリメー
タ１３４で平行化されたビーム１３６は、一対のミラー
１３８及び１４０によりビーム１４２として回転多角形
ミラー１４６あるいは振動ミラーからなるスキャニング
機構１４４に適正な角度で入射する。次に、ビーム１４
８がフラットフィールド集光レンズ１５０を通り、スケ
ールを除去すべき金属ストリップ４０の表面上に所望の
スポットサイズ１５４に集光される。集光スポットをス
キャンするシステムの利点は、レーザビームの強度分布
を空間的に均一にする必要がないことである。すなわ
ち、均質化装置６０が不要である。もう一つの利点は、
スキャニング機構により集光スポットが酸化物で覆われ
た表面４４を横方向にスキャンされるので、金属ストリ
ップ４０が連続的に移動するときに、付着した酸化層が
スキャンライン１８２に沿った各点において一つ以上の
レーザパルスで除去されることである。図４（Ａ）に示
した集光レーザ線を投影する方法に対する欠点は、ビー
ムが照射される光学面が多いためにレーザエネルギーが
ロスすることと機械的な移動部材を有することである。

【００４３】図１０のフラットフィールド集光レンズ１
５０の代わりに、回転ミラー１４６の手前にプレスキャ
ニング集光レンズを配置することもできる。プレスキャ
ニング集光レンズは、回転ミラー１４６のスキャニング
速度に同期してビームの進行方向に沿って前後に移動
し、金属表面上へのスポットの集光を維持する。図１１
は、ミラーを用いてスキャンフィールドの幅にわたって
均一なスポットサイズを維持する、この発明の他の実施
の形態に係るスキャニングスポットシステムを示す。レ
ーザビーム１３６は、回転多角形ミラー１４６の手前に
配置されたレンズ１５６に入射してビーム１５８とな
る。ミラー１４６で反射した収束ビーム１５９は、所望
のスキャンフィールドの大部分にわたって延びている細
長い矩形の平面ミラー１６０に入射する。ミラー１６０
で反射したビーム１６２はスキャンフィールドの幅全体
にわたって延びる湾曲した放物面ミラー１６４に入射す
る。この湾曲ミラーにより、収束ビーム１６６は、集光
される箇所にかかわらず同一の角度で金属表面上に入射
される。ビームは、スキャンフィールドの全長にわたっ
て同一のスポットサイズで集光する。このシステムは、
図１０に示したシステムに対して、光学部材のほとんど
が屈折部材のような吸収損失のないミラーであることで
ある。これは、経済的にレーザによるスケール除去を行
う上で高出力が必要であるので、効果的である。細長い
矩形の平面ミラー１６８を追加し、集光ビームを細長い
シリンドリカル集光凹面ミラー１７０に入射させて収束
ビーム１７２とし、集光スポットのサイズをストリップ
の移動方向４２にさらに圧縮することもできる。ミラー
１６８及び１７０の代わりに、ストリップの幅全体にわ
たる幅を有する収束シリンドリカルレンズ３４を用い
て、ビームサイズを小さくしてもよい。これにより、図
１２に示されるように、スキャニング方向１７６に長い
楕円形の集光スポット１７４が形成される。

【００４４】

【実施例】この発明の実施可能性を示すために実施例を
提供する。アルミニウムストラップ上の５μｍ厚の酸化
アルミニウムＡｌ₂Ｏ₃を蒸発させるのに必要なエネルギ
ー量とストリップの処理速度を推察することができる。
この酸化層は密度４ｇｍ／ｃｍ^３、融点２０５０℃、蒸
発温度２９８０℃、融解熱２５５ｃａｌ／ｇｍ、気化熱
１１３８ｃａｌ／ｇｍ、熱容量０．３２ｃａｌ／ｇｍ／
℃を有しているものとする。このデータは、Ｌａｓｅｒ
Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａ Ｈａｎ
ｄｂｏｏｋ：Ｇｕｉｄｅ ｆｏｒ Ｍａｔｅｒｉａｌ
Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｂｙ Ｌａｓｅｒｓ，２ｎｄ−
Ｅｄｉｔｉｏｎ，１９７８、ｐｐ．９−３から採ったも
のである。この実施例においては、図４（Ａ）に示され
るようなレーザ線投影システムを用いてレーザ放射線を
線上に集光する。また、１０組のこのようなシステムが
並置され、全部で１ｍ幅のストリップのスケールを除去
するものとする。さらに、１００ＫＷのＦＥＬから生成
されたビームがそれぞれ１０ＫＷの１０本のサブビーム
に分割され、これらのサブビームがそれぞれ長さ１０ｃ
ｍ、幅２ｍｍの線に集光される。酸化層の厚さが５μｍ
で集光された線の長さが１０ｃｍ、幅が２ｍｍであれ
ば、蒸発すべき酸化アルミニウムの体積は、Ｖ＝（０．
０００５ｃｍ）×（１０ｃｍ）×（０．２ｃｍ）＝０．
００１ｃｍ^３となる。この体積を蒸発させるエネルギー
は、Ｅ＝（４ｇｍ／ｃｍ^３）×（０．００１ｃｍ^３）×
［（０．３２ｃａｌ／ｇｍ／℃）×（２９８０℃）＋２
５５ｃａｌ／ｇｍ＋１１３８ｃａｌ／ｇｍ］×（４，１
８４Ｊ／ｃａｌ）＝３９．２ジュールとなる。１０本の
サブビームのそれぞれが１０ＫＷの平均出力を有するな
らば、周波数３０ＭＨｚにおけるパルス当たりのエネル
ギーは３３３ミリジュールとなる。従って、３９．２ジ
ュールのエネルギーを発するために必要なパルス数は、
Ｎ＝３９．２Ｊ／（０．０００３３３Ｊ／パルス）＝１
１７７２０パルスとなる。周波数３０ＭＨｚのレーザビ
ームから１１７７２０パルスを発するためのある点にお
けるビームの居留時間は、Ｔ＝（１１７７２０パルス）
／（３０００００００パルス／秒）＝０．００３９２秒
である。５μｍ厚の層を除去するに必要なライン速度の
決定は、１１７７２０パルス全てを発する時間に酸化層
を有するアルミニウムストラップが集光レーザ線の幅す
なわち２ｍｍしか移動しないことが条件となる。従っ
て、ライン速度は、Ｖ＝［０．００２ｍ／０．００３９
２秒］×（６０秒／分）＝３０．６ｍ／分となる。この
ため、１０本の１０ＫＷのサブビームのそれぞれが横方
向の長さ１０ｃｍの線に集光され、図５に示されるよう
に互いに横方向に隣接して配向されるならば、幅１ｍの
アルミニウムストラップの片面から３０．６ｍ／分の速
度で５μｍ厚の酸化層を除去することができる。他のス
ケール除去機構によれば、短いパルス幅と高い表面出力
密度により酸化物除去速度は、より高くなるかもしれな
い。しかしながら、この単に熱蒸発機構に基づく計算か
ら、幅１ｍのアルミニウムストラップの両面を３０．６
ｍ／分の速度でスケール除去するためには、２００ＫＷ
のＦＥＬが必要になるであろう。

【００４５】この発明の精神及び範囲を逸脱することな
く、種々の変形をすることができる。この発明の範囲
は、特許請求の範囲により決定されるべきである。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明に係る金属ストリップのスケール除去
のための集光された線を形成する光学システムを示す斜
視図である。

【図２】この発明のビーム均質化装置を示す概略図であ
る。

【図３】図２のビーム均質化装置で用いられる段階状の
屈折率分布を有する光ファイバを示す概略図である。

【図４】（Ａ）は放射線を均一な強度の線上に集光する
光学システムを示す斜視図、（Ｂ）は投射された線の長
さに沿った（Ａ)の放射線の強度分布を示すグラフであ
る。

【図５】この発明の他の実施の形態における金属ストリ
ップのスケール除去のためのレーザシステムを示す斜視
図である。

【図６】この発明の蒸発スケール除去チャンバを詳細に
示す斜視図である。

【図７】蒸発したスケールが不活性ガスにより除去され
た状態を示す図６のビーム反応ゾーン周辺の斜視図であ
る。

【図８】図６の反応ゾーンを示す側面図である。

【図９】この発明の他の実施の形態において、放射線を
金属ストリップからスケールを除去するために線上に集
光するミラー光学システムを示す斜視図である。

【図１０】この発明の他の実施の形態に係るレーザ・ス
ケール除去光学システムにおいて、レーザ放射線を金属
ストリップからスケールを除去するためにスポットに集
光する反射フラットフィールドレンズ・ラスター・スキ
ャニングシステムを示す斜視図である。

【図１１】この発明のさらに他の実施の形態に係るレー
ザ・スケール除去光学システムにおいて、レーザ放射線
を金属ストリップからスケールを除去するためにスポッ
トに集光する反射ミラー・ラスター・スキャニングシス
テムを示す斜視図である。

【図１２】図１１の集光された入射楕円スポットを示す
図である。

【符号の説明】

２０，２４，２８，３２，３６，５６，６２，１３６，
１４８，１５８，１５９，１６２，１６６，１７２
ビーム ２２ 発散球面レンズ ２６，３０，３４ シリンドリカルレンズ ３８ 直線 ４０ 金属ストリップ ４４，４６ 表面 ５７ サブビーム ６０ ビーム均質化装置 ６６，７２ レンズ ６８ 光ファイバ ７４ 線形発散レンズ ７６ 楔 ７８ 平凸シリンドリカルレンズ ８０ レーザ線 ９０ 反応室 ９２ 出口 ９３ 窓 ９４ 排気ダクト ９６ フィルタユニット ９８ 放出ダクト １００ 送風機 １０２ 帰還ダクト １０４ 帰還ベント １０８ 非酸化性ガス １１０ タンク １１２ プラズマプラム １１４ ガスノズル １１６ 排気ベント １１８ 粒子 １２０ 圧力計 １２２ ソレノイドバルブ １２４，１２６，１２８，１３０，１３２，１３８，１
４０，１６０，１６４，１６８，１７０ ミラー １３４ コリメータ １４４ スキャニング機構 １４６ 回転多角形ミラー １５０ フラットフィールド集光レンズ

Claims (14)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 非常に短いパルス幅と、非常に高い周波
   数と、非常に高い平均出力とを有する電磁放射ビームを
   生成するレーザを使用し、 放射ビームを生成し、 放射ビームを少なくとも一つの光学部材に通して金属表
   面に接する点で少なくとも約５ＭＷ／ｃｍ^２の表面出力
   密度を有する入射ビームに集光し、 集光された放射ビームを酸化物で覆われた金属の表面を
   完全に横切るように照射して一つ以上のレーザパルスに
   よる蒸発によって酸化物を除去し、酸化物のない表面を
   形成することを特徴とする金属表面から酸化物を除去す
   る方法。
2. 【請求項２】 酸化物で覆われた表面に発せられるパル
   ス当たりの単位面積の表面出力が１０×１０^６Ｗ／ｃｍ
   ^２である請求項１に記載の方法。
3. 【請求項３】 光学部材が、少なくとも一つのレンズと
   少なくとも一つのミラーの組み合わせを含む請求項１ま
   たは２に記載の方法。
4. 【請求項４】 光学部材が、放射ビームをそれぞれレー
   ザから生成された放射ビームの出力より小さい出力を有
   する複数の集光されたサブビームに分割する手段を含む
   請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
5. 【請求項５】 放射ビームが、金属表面の幅全体にわた
   って横方向に延びる均一な出力分布の少なくとも一本の
   線に集光される請求項１〜４のいずれか一項に記載の方
   法。
6. 【請求項６】 非酸化性のガスで放射ビームの金属表面
   への照射点と酸化物を除去した表面とを保護すると共に
   酸化物のクズを吹き飛ばす工程を含む請求項１〜５のい
   ずれか一項に記載の方法。
7. 【請求項７】 光学部材は、コリメートレンズからなる
   第１の光学部材と、平行化されたビームを方向付けする
   少なくとも一つの配向ミラーからなる第２の光学部材
   と、平行化されたビームをスキャンする手段とを含む請
   求項３に記載の方法。
8. 【請求項８】 光学部材は、さらにフラットフィールド
   レンズを含み、スキャンする手段は平行化されたビーム
   をフラットフィールドレンズの入射瞳上に繰り返しスキ
   ャンする回転ミラーを含む請求項７に記載の方法。
9. 【請求項９】 光学部材は、ビームをスキャンする回転
   ミラーと、ビームが金属表面に集光される場所にかかわ
   らず同じ角度でスキャンされたビームを金属表面に向け
   る放物面ミラーとを含む請求項３に記載の方法。
10. 【請求項１０】 １００ピコ秒より短いパルス幅と、少
    なくとも１０ＭＨｚのパルス周波数と、１０ＫＷより大
    きな平均出力とを有する電磁放射ビームを生成するレー
    ザを使用し、 放射ビームを生成し、 放射ビームを少なくとも一つの光学部材に通して金属ス
    トリップ表面に接する点で少なくとも約１０ＭＷ／ｃｍ
    ^２の表面出力密度を有する入射ビームに集光し、光学部
    材は、放射ビームを均質化する手段と、ビームを少なく
    とも一本の直線に集光する少なくとも一つの細長いシリ
    ンドリカル収束レンズまたは細長いシリンドリカル凹面
    ミラーとを含み、 酸化物で覆われた金属ストリップの表面を完全に横切る
    ような集光された放射ビームの線に金属ストリップを通
    して一つ以上の空間的に伸長されたレーザパルスによる
    蒸発によって酸化物を除去し、酸化物のない表面を形成
    することを特徴とする金属表面から酸化物を除去する方
    法。
11. 【請求項１１】 非常に短いパルス幅と、非常に高い周
    波数と、非常に高い平均出力とを有する電磁放射ビーム
    を生成するレーザと、 放射ビームを集光して金属ストリップ表面に接する点で
    少なくとも約５ＭＷ／ｃｍ^２の表面出力ビーム密度を有
    する入射ビームとする少なくとも一つの光学部材と、 金属ストリップから酸化物を除去するための密閉された
    反応室とを備え、前記反応室は、非酸化性のガスを収容
    し、酸化物で覆われた表面を有し且つ移動する金属スト
    リップを受け入れるための入口と、表面から酸化物が除
    去された金属ストリップを通すための出口と、放射ビー
    ムを反応室内に受け入れるための少なくとも一つの細長
    い窓とを含み、放射ビームは酸化物で覆われた金属スト
    リップの表面を完全に横切るように通って蒸発により酸
    化物を除去することを特徴とする金属表面から酸化物を
    除去する装置。
12. 【請求項１２】 前記光学部材が、前記窓内に配置され
    たレンズである請求項１１に記載の装置。
13. 【請求項１３】 前記光学部材は放射ビームを複数の集
    光されたサブビームに分割する手段を含み、前記反応室
    はそれぞれ対応する一つのサブビームを受け入れるため
    の複数の窓を含む請求項１１または１２に記載の方法。
14. 【請求項１４】 非常に短いパルス幅と、非常に高い周
    波数と、非常に高い平均出力とを有する電磁放射ビーム
    を生成するレーザと、 放射ビームを集光して金属ストリップ表面に接する点で
    少なくとも約１０ＭＷ／ｃｍ^２の表面出力ビーム密度を
    有する入射ビームとする複数の整列された光学部材と、 金属ストリップから酸化物を除去するための密閉された
    反応室と、 放射ビームを複数のサブビームに分割するスプリッタと
    を備え、前記反応室は、非酸化性のガスを収容し、酸化
    物で覆われた表面を有し且つ移動する金属ストリップを
    受け入れるための入口と、表面から酸化物が除去された
    金属ストリップを通すための出口と、各サブビームを反
    応室内に受け入れるための細長い窓とを含み、サブビー
    ムは酸化物で覆われた金属ストリップの表面を完全に横
    切るように通って蒸発により酸化物を除去することを特
    徴とする金属表面から酸化物を除去する装置。