WO2023027080A1 - 表層除去方法および表層除去装置 - Google Patents

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WO2023027080A1
WO2023027080A1 PCT/JP2022/031760 JP2022031760W WO2023027080A1 WO 2023027080 A1 WO2023027080 A1 WO 2023027080A1 JP 2022031760 W JP2022031760 W JP 2022031760W WO 2023027080 A1 WO2023027080 A1 WO 2023027080A1
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surface layer
spots
removal
spot
processed
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PCT/JP2022/031760
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諒介 西井
由博 西潟
和行 梅野
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古河電気工業株式会社
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    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/36—Removing material

Definitions

  • the present invention relates to a surface layer removing method and a surface layer removing apparatus.
  • Patent Document 1 a method of removing coatings and deposits on the surface of a structure by irradiating it with laser light.
  • the spot diameter is enlarged by shifting the focus of the laser beam from the surface of the object to be processed, thereby shortening the processing time and alleviating the energy density.
  • one of the objects of the present invention is to obtain a novel and improved surface layer removing method and surface layer removing apparatus that can reduce, for example, the variation in the processing state depending on the location and shorten the processing time. , is.
  • the surface layer removal method of the present invention is, for example, a surface layer removal method in which a laser beam containing a plurality of beams is irradiated onto an object to be processed to remove the surface layer of the object to be processed.
  • the surface layer of the object to be processed is removed by scanning the plurality of formed spots arranged in the first direction in a second direction intersecting the first direction.
  • the arrangement interval of the plurality of spots in the first direction is equal to or less than the width in the first direction of the removal area where the surface layer is removed when the spots are scanned singly in the second direction.
  • the plurality of spots may be arranged to form one row extending in the first direction.
  • the plurality of spots may be arranged to form a plurality of rows extending in the first direction and shifted in the second direction.
  • the plurality of rows includes a first row in which the plurality of spots are spaced apart in the first direction, and a first row in which the plurality of spots are spaced in the first direction. and a second row arranged at a different position in the first direction than the plurality of spots arranged in the first row.
  • the ratio of the intensity of the spot having the lowest intensity among the plurality of spots to the intensity of the spot having the highest intensity among the plurality of spots may be 0.8 or more.
  • the laser light from the light source may be split into the plurality of spots by a beam shaper.
  • the beam shaper may be a diffractive optical element.
  • the material to be processed may be a metal having a rusted surface, and the intensity of the spot may be 25 [J/cm 2 ] or more.
  • the intensity of the spot may be less than 3.8 ⁇ 10 4 [J/cm 2 ].
  • the material to be processed may be concrete or mortar, and the strength of the spot may be 1.2 ⁇ 10 4 [J/cm 2 ] or more.
  • the material to be processed may be metal, and the intensity of the spot may be less than 5.7 ⁇ 10 5 [J/cm 2 ].
  • the material to be processed may be a metal surface covered with a coating film, and the intensity of the spot may be greater than 5.3 ⁇ 10 2 [J/cm 2 ].
  • the intensity of the spot may be smaller than 1.3 ⁇ 10 5 [J/cm 2 ].
  • the surface layer removal apparatus of the present invention is, for example, a surface layer removal apparatus for removing a surface layer of an object to be processed by irradiating a laser beam containing a plurality of beams onto the object to be processed, comprising: a light emitting device that outputs laser light; a delivery optical fiber for transmitting a laser beam from an apparatus; an optical head for irradiating the surface of the object to be processed with the laser beam from the delivery optical fiber; and a scanning mechanism that scans the spots on the surface of the processing object, by scanning in a second direction that intersects the first direction with the plurality of spots arranged in the first direction on the surface of the processing object. Remove the surface layer of the object.
  • the arrangement interval of the plurality of spots in the first direction is equal to or less than the width in the first direction of the removal area where the surface layer is removed when the spots are scanned alone in the second direction.
  • the light emitting device may have an optical fiber laser.
  • the M2 beam quality of the laser light output from the delivery optical fiber may be 10 or less.
  • the delivery optical fiber may have a core and a clad surrounding the core, and the core may have an outer diameter of 50 [ ⁇ m] or more.
  • the outer diameter of the core may be 80 [ ⁇ m] or more.
  • the diameter of the core may be 100 [ ⁇ m] or more.
  • the length of the delivery optical fiber may be 5 [m] or longer.
  • the surface removal apparatus may include a beam shaper that splits the laser beam from the light source into the plurality of spots.
  • the beam shaper may be a diffractive optical element.
  • FIG. 1 is an exemplary schematic configuration diagram of a surface layer removing apparatus according to an embodiment.
  • FIG. 2 is an explanatory diagram showing the concept of the principle of the diffractive optical element included in the surface removal device of the embodiment.
  • FIG. 3 is an exemplary schematic configuration diagram of an optical fiber laser included in the surface removal device of the embodiment.
  • FIG. 4 is a schematic diagram showing an example of a pattern of a plurality of spots formed on the surface of the object to be processed by the surface removal device of the embodiment.
  • FIG. 5 is a schematic diagram showing an example of a removal region where the surface layer is removed when the surface of the object to be processed is scanned with one beam by the surface layer removing apparatus of the embodiment.
  • FIG. 1 is an exemplary schematic configuration diagram of a surface layer removing apparatus according to an embodiment.
  • FIG. 2 is an explanatory diagram showing the concept of the principle of the diffractive optical element included in the surface removal device of the embodiment.
  • FIG. 3 is an exemplary schematic configuration diagram of an optical fiber laser included
  • FIG. 6 is a schematic diagram showing another example of a pattern of a plurality of spots formed on the surface of the object to be processed by the surface removal device of the embodiment.
  • FIG. 7 is a plan view (photographic image) of an example of a removed area formed by the surface layer removing apparatus of the embodiment.
  • FIG. 8 is a plan view (photographic image) of a removed region formed by a surface layer removing apparatus of a reference example.
  • FIG. 9 is a plan view (photographic image) showing a state in which no removal area is formed on the surface of the metal member to be processed by the surface layer removing apparatus of the embodiment.
  • FIG. 7 is a plan view (photographic image) of an example of a removed area formed by the surface layer removing apparatus of the embodiment.
  • FIG. 8 is a plan view (photographic image) of a removed region formed by a surface layer removing apparatus of a reference example.
  • FIG. 9 is a plan view (photographic image) showing a state in which no removal area is formed
  • FIG. 10 is a plan view (photographic image) showing a state in which a suitable removal region is formed on the surface of a metal member to be processed by the surface removal device of the embodiment.
  • FIG. 11 is a plan view (photographic image) showing a state in which the surface of a metal member to be processed is melted by the surface layer removing apparatus of the embodiment.
  • FIG. 12 is a plan view (photographic image) showing a state in which a removal area is not formed on the surface of concrete to be processed by the surface removal apparatus of the embodiment.
  • FIG. 13 is a plan view (photographic image) showing a state in which a suitable removal area is formed on the surface of concrete to be processed by the surface removal device of the embodiment.
  • FIG. 14 is a plan view (photographic image) showing a state in which the surface of concrete to be processed is partially vitrified by the surface layer removing device of the embodiment.
  • FIG. 15 is a plan view (photographic image) showing a state in which stains remain after cleaning the surface of the metal member to be processed by the surface layer removing apparatus of the embodiment.
  • FIG. 16 is a plan view (photographic image) showing a state in which the outermost layer of the coating film on the surface of the metal member to be processed is removed by the surface layer removing apparatus of the embodiment.
  • 17 is a plan view (photographic image) showing a state in which the outermost layer and the inner layer of the coating film on the surface of the metal member to be processed are removed by the surface layer removing apparatus of the embodiment, and the base material is exposed.
  • 18 is a plan view (photographic image) showing a state in which the outermost layer and the inner layer of the coating film on the surface of the metal member to be processed have been removed by the surface layer removing apparatus of the embodiment, but the base material has melted. .
  • the X direction is indicated by an arrow X
  • the Y direction is indicated by an arrow Y
  • the Z direction is indicated by an arrow Z.
  • the X-, Y-, and Z-directions intersect and are orthogonal to each other.
  • FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a surface removal device 100 according to an embodiment.
  • the surface removal device 100 includes a light emitting device 110, an optical head 120, and a delivery optical fiber .
  • the surface layer removing apparatus 100 irradiates a laser beam L onto the surface Wa of the object W whose surface layer is to be removed.
  • laser ablation is caused by the energy of the laser light L at the location on the surface Wa irradiated with the laser light L and its vicinity, and the surface layer is thinly removed.
  • the material forming the body (base material) including the surface Wa of the object W the dirt, rust, coating film, coating materials, etc. on the surface Wa are removed.
  • the object W is an example of an object to be processed.
  • the optical head 120 and the object W Prior to the surface layer removal processing by irradiating the laser beam L, the optical head 120 and the object W are positioned so that the laser beam L can be applied to the target region of the surface Wa for the surface layer removal processing. , is set.
  • Objects W are diverse, such as buildings, constructions, constructions, building materials, products, parts, and objects. Moreover, although the material which comprises the target object W is a metal, concrete, mortar, etc., for example, it is not limited to these.
  • the light emitting device 110 includes a laser oscillator, and is configured to output laser light with a power of 6000 [W], for example.
  • the light emitting device 110 will be described later in detail.
  • the delivery optical fiber 130 is an optical fiber having a core and a clad (both not shown) surrounding the core, and optically connects the light emitting device 110 and the optical head 120 . In other words, the delivery optical fiber 130 guides the laser light output from the light emitting device 110 to the optical head 120 .
  • the length of the delivery optical fiber 130 is For example, it is set to 5 [m] or more and 100 [m] or less.
  • the diameter of the core of the delivery optical fiber 130 is preferably 50 [ ⁇ m] or more, more preferably 80 [ ⁇ m] or more, and 100 ⁇ m or more. [ ⁇ m] or more is more preferable.
  • the delivery optical fiber 130 is configured so that the M2 beam quality of the laser light output from the delivery optical fiber 130 is 10 or less in the specifications having the above-described length and diameter. .
  • the M2 beam quality may also be referred to as the M2 factor.
  • the optical head 120 is an optical device for appropriately irradiating the target object W with laser light input from the light emitting device 110 .
  • the optical head 120 has a collimator lens 121 , a condenser lens 122 , a mirror 123 , a DOE 125 and a galvanometer scanner 126 .
  • Collimator lens 121, condenser lens 122, mirror 123, DOE 125, and galvanometer scanner 126 may also be referred to as optics.
  • the collimating lens 121 collimates the laser light input via the delivery optical fiber 130 respectively.
  • the collimated laser light becomes parallel light.
  • the mirror 123 reflects the first laser beam collimated by the collimator lens 121 and directs it to the galvanometer scanner 126 . Note that the mirror 123 may be unnecessary depending on the arrangement of other optical systems.
  • the galvanometer scanner 126 has a plurality of mirrors 126a and 126b. By changing the angles of the plurality of mirrors 126a and 126b, it is possible to switch the emission direction of the laser light L from the optical head 120, thereby changing the irradiation position of the laser light L on the surface Wa of the object W. can.
  • the angles of the mirrors 126a, 126b are each changed by a drive mechanism (not shown), such as a motor controlled by a controller (not shown).
  • a drive mechanism such as a motor controlled by a controller (not shown).
  • the condensing lens 122 condenses the laser light as parallel light coming from the galvanometer scanner 126, and irradiates the object W with the laser light L (output light).
  • the DOE 125 shapes the beam of the first laser beam collimated by the collimating lens 121 .
  • DOE 125 is an example of a beam shaper.
  • FIG. 2 is an explanatory diagram showing the concept of the principle of DOE125.
  • the DOE 125 has, for example, a structure in which a plurality of diffraction gratings 125a with different periods are superimposed.
  • the DOE 125 can shape the beam shape by bending or superimposing the parallel beams in the direction affected by each diffraction grating 125a.
  • the laser light is split into a plurality of beams in the optical head 120.
  • a laser beam L having a plurality of beams is output from the optical head 120, and a plurality of spots are formed on the surface Wa by the plurality of beams.
  • the spots may be separated from each other, or may be connected to each other.
  • FIG. 3 is a schematic configuration diagram of an example of the light emitting device 110. As shown in FIG.
  • the light emitting device 110 has a plurality of light source devices 10 , a plurality of output optical fibers 11 and an optical multiplexing coupler 12 .
  • the light source device 10 can also be called a laser oscillator. Moreover, the light source device 10 of FIG. 3 is, as an example, a CW laser capable of continuously outputting laser light.
  • the light source device 10 is an optical fiber laser and includes a plurality of semiconductor excitation light sources 1, a plurality of optical fibers 2, an optical multiplexer 3, a fiber Bragg grating (FBG) 4, an amplification optical fiber 5, a plurality of , an FBG 7 , an optical multiplexer 8 , and a plurality of optical fibers 9 . Each element is appropriately connected by an optical fiber.
  • FBG fiber Bragg grating
  • the pumping light has a wavelength capable of optically pumping the amplification optical fiber 5, for example, a wavelength of 915 [nm].
  • a plurality of optical fibers 2 each propagate the pumping light output from each semiconductor pumping light source 1 and output it to the optical multiplexer 3 .
  • the optical multiplexer 3 is configured as a TFB (tapered fiber bundle) in this embodiment.
  • the optical multiplexer 3 multiplexes the pumping light input from each optical fiber 2 with the optical fiber of the signal light port and outputs it to the amplification optical fiber 5 .
  • the amplifying optical fiber 5 is a YDF (ytterbium doped fiber) in which ytterbium (Yb) ions, which are amplification substances, are added to the core made of silica glass, and the outer periphery of the core is made of silica glass. It is a double-clad optical fiber in which an inner clad layer and an outer clad layer made of resin or the like are sequentially formed.
  • the core portion of the amplification optical fiber 5 has an NA of, for example, 0.08, and is configured to propagate light emitted from Yb ions, for example, light with a wavelength of 1070 [nm], in a single mode.
  • the absorption coefficient of the core portion of the amplification optical fiber 5 is, for example, 200 [dB/m] at a wavelength of 915 [nm]. Also, the power conversion efficiency from pumping light input to the core portion to laser oscillation light is, for example, 70%.
  • the FBG 4 as the rear end side reflection means is connected between the optical fiber of the signal light port of the optical multiplexer 3 and the amplification optical fiber 5 .
  • the FBG 4 has a central wavelength of, for example, 1070 [nm], a reflectance of about 100% in a wavelength band of about 2 [nm] width around the central wavelength and its surroundings, and almost transmits light with a wavelength of 915 [nm]. do.
  • the FBG 7, which is the output-side reflecting means is connected between the optical fiber of the signal light port of the optical multiplexer 8 and the amplification optical fiber 5.
  • FBG7 has a center wavelength substantially the same as that of FBG4, for example 1070 [nm], has a reflectance of about 10% to 30% at the center wavelength, and has a full width at half maximum of the reflection wavelength band of about 1 [nm], Light with a wavelength of 915 [nm] is almost transmitted.
  • the FBGs 4 and 7 are arranged at both ends of the amplification optical fiber 5, respectively, and form optical fiber resonators for light with a wavelength of 1070 [nm].
  • the pumping light has a wavelength capable of optically pumping the amplification optical fiber 5, for example, a wavelength of 915 [nm].
  • a plurality of optical fibers 9 propagate the pumping light output from each semiconductor pumping light source 6 and output it to the optical multiplexer 8 .
  • the optical multiplexer 8 like the optical multiplexer 3, is composed of a TFB in this embodiment.
  • the optical multiplexer 8 multiplexes the pumping light input from each optical fiber 9 to the optical fiber of the signal light port, and outputs the result to the amplification optical fiber 5 .
  • the amplification optical fiber 5 emits light in a band including a wavelength of 1070 [nm] by optically exciting the Yb ions in the core portion with the pumping light.
  • Light with a wavelength of 1070 [nm] causes laser oscillation due to the optical amplification action of the amplification optical fiber 5 and the action of the optical resonator constituted by the FBGs 4 and 7 .
  • the output optical fiber 11 is arranged on the opposite side of the optical multiplexer 8 from the FBG 7 and connected to the optical fiber of the signal light port of the optical multiplexer 8 .
  • the oscillated laser light (laser oscillation light) is output from the output optical fiber 11 .
  • the laser beams output from the plurality of light source devices 10 are input to the optical multiplexing coupler 12 via the output optical fiber 11, multiplexed by the optical multiplexing coupler 12, and transmitted via the delivery optical fiber 130 to the optical head. 120.
  • FIG. 4 is a diagram showing an example of a pattern of spots Ls formed on the surface Wa. As shown in FIG. 4, a plurality of spots Ls of the laser light L are formed on the surface Wa. As mentioned above, laser light L includes multiple beams split by a beam shaper such as DOE 125 . The spots Ls correspond to beams included in the laser light L, respectively.
  • a plurality of spots Ls are arranged to form one row extending in the Y direction.
  • a plurality of spots Ls are arranged at regular intervals Di in the Y direction.
  • the interval Di is an example of the arrangement interval.
  • the optical head 120 removes the surface layer of the object W by scanning in the X direction with a plurality of spots Ls arranged in the Y direction on the surface Wa as shown in FIG. As a result, the surface layer can be removed over a wider width than in the case of repeatedly scanning one small spot Ls, so that the number of times of scanning can be reduced and the processing time can be shortened.
  • the Y direction is an example of a first direction
  • the X direction is an example of a second direction.
  • FIG. 5 shows the removal area Ab formed on the surface Wa when the spot Ls in FIG. 4 is scanned alone in the X direction under the same irradiation conditions as the irradiation in FIG.
  • the removed area Ab is an area where the surface layer is removed by irradiation and scanning of the spot Ls.
  • FIG. 5 when scanning is performed while irradiating the spot Ls alone, a band-shaped removal area Ab extending in the X direction with a substantially constant width in the Y direction is formed on the surface Wa.
  • the width wb of the removal region Ab is larger than the diameter Ds (width) of the spot Ls. Become.
  • the interval Di ( 4) is set equal to or less than the width wb (FIG. 5) of the removal area Ab. If the interval Di is larger than the width wb, there will be a region where the surface layer is not removed between the removal regions Ab corresponding to the spots Ls adjacent to each other in the Y direction. In this regard, if the interval Di is set to be equal to or less than the width wb as in the present embodiment, the removal regions Ab corresponding to the spots Ls adjacent to each other in the Y direction are in contact with each other or overlap each other. does not occur.
  • FIG. 6 is a diagram showing another example (modification) of the pattern of the spots Ls formed on the surface Wa.
  • the plurality of spots Ls are arranged on the surface Wa to form a plurality of rows extending in the Y direction.
  • the multiple columns are offset in the X direction.
  • the spots Ls are alternately arranged in two rows adjacent to each other in the X direction. That is, the two rows are a first row in which the spots Ls are spaced apart in the Y direction, and a position in which the spots Ls are spaced apart in the Y direction and different from the first row in the Y direction. and a second column aligned with .
  • the interval Di between the plurality of spots Ls in the Y direction is equal to or less than the width wb of the removal region Ab, as in the case of the examples of FIGS. set.
  • the density of the spots Ls on the surface Wa can be reduced, and an excessive local temperature rise can be suppressed.
  • the inventors have found through experimental research that when scanning a plurality of spots Ls on the surface Wa, if there is a large variation in intensity among the spots Ls, the degree of removal of the surface layer varies depending on the location in the removal area. As a result, it was found that unevenness in the treatment state, that is, a difference in the removal state of rust and coatings, and unevenness in the body (base material). From this point of view, the ratio of the intensity of the spot Ls having the minimum intensity among the plurality of spots Ls to the intensity of the spot Ls having the maximum intensity is preferably 0.8 or more, and is 0.9 or more. was found to be more preferable.
  • FIG. 7 is a plan view (photographic image) showing an example of a rectangular removal area Ab formed using the surface removal apparatus 100 of the present embodiment.
  • the removal area Ab in FIG. 7 was formed by scanning the spot pattern shown in FIG. 6 multiple times in the X direction while shifting the position in the Y direction.
  • the total length (width) of the spot pattern in the Y direction was 2.6 [mm]
  • the removal area Ab was a rectangular area of 30 [mm] ⁇ 30 [mm].
  • the output of the laser light L was 500 [W]
  • the scanning speed was 0.5 [m/s].
  • the removal area Ab in FIG. 7 could be formed in 0.9 [sec] (required time).
  • FIG. 8 is a plan view (photographic image) of the removal area Abr of the reference example.
  • the removal area Abr in FIG. 8 was formed by scanning a point-like spot enlarged by defocusing a plurality of times in the X direction while shifting the position in the Y direction.
  • the diameter of the dot-like spot was 3 [mm]
  • the size of the removal area Abr was substantially the same as the removal area Ab in the case of FIG.
  • the output of the laser light L was 500 [W]
  • the scanning speed was 0.1 [m/s].
  • the optical head 120 uses a beam shaper such as the DOE 125 to generate a plurality of spots Ls with small variations in intensity and with an appropriately adjusted interval Di from high-quality laser light transmitted by the delivery optical fiber 130. , and scanning the plurality of spots Ls.
  • a beam shaper such as the DOE 125 to generate a plurality of spots Ls with small variations in intensity and with an appropriately adjusted interval Di from high-quality laser light transmitted by the delivery optical fiber 130.
  • the surface layer was not removed.
  • the intensity of the spot Ls was 25 [J/cm 2 ] or more and less than 3.8 ⁇ 10 4 [J/cm 2 ]
  • the surface layer was preferably removed.
  • the intensity of the spot Ls was 3.8 ⁇ 10 4 [J/cm 2 ] or more, a melt trace Am of the melted material appeared on the surface Wa.
  • the body (base material) of the object W is made of steel plate, for example.
  • the thickness of the rust layer is, for example, 400 [ ⁇ m].
  • the material of the base material and the thickness of the rust layer are not limited to these.
  • the strength of the spot Ls is 1.2 ⁇ 10 4 [J/cm 2 ] or more and 5.7 ⁇ 10 5 [J/cm 2 ] or more. /cm 2 ].
  • 12 to 14 are plan views (photographic images) of the surface Wa scanned with one spot Ls.
  • FIG. 12 shows that when the intensity is less than 0.5 ⁇ 10 4 [J/cm 2 ], that is, 1.2 ⁇ 10 4 [J/cm 2 ], FIG . J/cm 2 ], that is, 1.2 ⁇ 10 4 [J/cm 2 ] or more and less than 5.7 ⁇ 10 5 [J/cm 2 ].
  • the intensity of the spot Ls is greater than 5.3 ⁇ 10 2 [J/cm 2 ] and 1.3 ⁇ 10 5 [J/cm 2 ]. /cm 2 ].
  • 15 to 18 are plan views (photographic images) of the same sample of the metal plate having the double coating film, scanned with the laser light spot Ls at different intensities.
  • the first layer 202 (coating film) is applied on the surface of the base material 201 (metal plate), and the second layer 203 (coating film) is applied on the first layer 202. ing.
  • the base material 201 is made of, for example, a steel plate
  • the first layer 202 is made of, for example, epoxy resin paint
  • the second layer 203 is made of, for example, acrylic resin paint.
  • the thickness of the first layer 202 is, for example, 300 [ ⁇ m]
  • the thickness of the second layer 203 is, for example, 100 [ ⁇ m].
  • the material and thickness of the base material 201, the first layer 202, and the second layer 203 are not limited to these.
  • FIG. 15 shows the case where the intensity is 5.3 ⁇ 10 2 [J/cm 2 ]
  • FIG. 16 shows the case where the intensity is 1.5 ⁇ 10 4 [J/cm 2 ]. .
  • FIG. 15 shows the case where the intensity is 5.3 ⁇ 10 2 [J/cm 2 ]
  • FIG. 16 shows the case where the intensity is 1.5 ⁇ 10 4 [J/cm 2 ]. .
  • FIG. 15 shows the case where the intensity is 5.3 ⁇ 10 2 [J/cm 2 ]
  • FIG. 16
  • the second layer 203 is thinly removed in the area A1 irradiated with the spot Ls.
  • the dirt D remains locally in the region A1, which is insufficient (insufficient strength) for cleaning.
  • the second layer 203 is removed in the area A1 irradiated with the spot Ls, and the first layer 202 is exposed.
  • This is unsuitable (too strong) for cleaning. That is, when performing cleaning to remove dirt from the surface, the strength is preferably greater than 5.3 ⁇ 10 2 [J/cm 2 ] and less than 1.5 ⁇ 10 4 [J/cm 2 ].
  • FIG. 17 shows the case where the intensity is 3.1 ⁇ 10 4 [J/cm 2 ], and FIG.
  • FIG. 17 shows a good state in which the second layer 203 is removed and the base material 201 is exposed in the area A1 irradiated with the spot Ls.
  • the novel surface layer removal method and surface layer removal method are further improved, such that, for example, variations in the processing state depending on the location can be reduced, and the processing time can be shortened.
  • a device 100 can be obtained.
  • the present invention can be used for a surface layer removing method and a surface layer removing apparatus.
  • Second layer (coating film) A1 Area Ab Area to be removed Ab1 Contour Abr Area to be removed Abr1 Contour Ag Vitrified area Am Melting mark D Di Interval (arrangement interval) Ds ... diameter (width) L... Laser beam Ls... Spot W... Object (processing object) Wa... surface wb... width X... direction (second direction) Y... direction (first direction) Z direction

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Abstract

表層除去方法は、例えば、加工対象に複数のビームを含むレーザ光を照射して当該加工対象の表層を除去する表層除去方法であって、加工対象の表面において、複数のビームによって形成された複数のスポットを第一方向に並べた状態で当該第一方向と交差した第二方向に走査することにより、加工対象の表層を除去する。また、表層除去装置は、例えば、発光装置と、発光装置からのレーザ光を伝送するデリバリ光ファイバと、デリバリ光ファイバからのレーザ光を加工対象の表面に照射する光学ヘッドと、加工対象の表面において、複数のビームによって形成された複数のスポットを走査する走査機構と、を備え、加工対象の表面において、複数のスポットを第一方向に並べた状態で当該第一方向と交差した第二方向に走査することにより、加工対象の表層を除去する。

Description

表層除去方法および表層除去装置
　本発明は、表層除去方法および表層除去装置に関する。
　従来、レーザ光の照射によって構造物の表面の塗膜や付着物を除去する方法が知られている（例えば、特許文献１）。
特開２０１９－１４１９０９号公報
　特許文献１の方法では、レーザ光の焦点を加工対象の表面からずらすことにより、スポット径を拡大し、これにより、処理時間の短縮や、エネルギ密度の緩和を図っている。
　しかしながら、このように焦点をずらした場合、スポットの中心部分と周辺部分との間でエネルギ密度の差が大きくなるため、処理した表面において、処理状態のむら、すなわち場所による処理状態のばらつきが大きくなってしまう場合があった。
　そこで、本発明の課題の一つは、例えば、処理状態の場所によるばらつきを低減できたり、処理時間を短縮できたりするような、より改善された新規な表層除去方法および表層除去装置を得ること、である。
　本発明の表層除去方法は、例えば、加工対象に複数のビームを含むレーザ光を照射して当該加工対象の表層を除去する表層除去方法であって、前記加工対象の表面において、複数のビームによって形成された複数のスポットを第一方向に並べた状態で当該第一方向と交差した第二方向に走査することにより、前記加工対象の表層を除去する。
　前記表層除去方法では、複数の前記スポットの前記第一方向における配置間隔は、当該スポットを単独で前記第二方向に走査した場合に前記表層が除去される除去領域の前記第一方向の幅以下であってもよい。
　前記表層除去方法では、複数の前記スポットは、前記第一方向に延びた一つの列を形成するように配置されてもよい。
　前記表層除去方法では、複数の前記スポットは、前記第一方向に延びて前記第二方向にずれた複数の列を形成するように配置されてもよい。
　前記表層除去方法では、前記複数の列は、複数の前記スポットが、前記第一方向に間隔をあけて配置された第一の列と、複数の前記スポットが、前記第一方向に間隔をあけて、前記第一方向において前記第一の列に配置された複数の前記スポットとは異なる位置に配置された第二の列と、を含んでもよい。
　前記表層除去方法では、前記複数のスポットのうち強度が最小となるスポットの強度の、前記複数のスポットのうち強度が最大となるスポットの強度に対する比は、０．８以上であってもよい。
　前記表層除去方法では、光源からのレーザ光をビームシェイパによって前記複数のスポットに分割してもよい。
　前記表層除去方法では、前記ビームシェイパは、回折光学素子であってもよい。
　前記表層除去方法では、前記加工対象の材料は、表面が錆びた金属であって、前記スポットの強度は、２５［Ｊ／ｃｍ２］以上であってもよい。
　前記表層除去方法では、前記スポットの強度は、３．８×１０４［Ｊ／ｃｍ２］未満であってもよい。
　前記表層除去方法では、前記加工対象の材料は、コンクリートまたはモルタルであって、前記スポットの強度は、１．２×１０４［Ｊ／ｃｍ２］以上であってもよい。
　前記表層除去方法では、前記加工対象の材料は、金属であって、前記スポットの強度は、５．７×１０５［Ｊ／ｃｍ２］未満であってもよい。
　前記表層除去方法では、前記加工対象の材料は、表面が塗膜で覆われた金属であって、前記スポットの強度は、５．３×１０２［Ｊ／ｃｍ２］より大きくてもよい。
　前記表層除去方法では、前記スポットの強度は、１．３×１０５［Ｊ／ｃｍ２］より小さくてもよい。
　本発明の表層除去装置は、例えば、加工対象に複数のビームを含むレーザ光を照射して当該加工対象の表層を除去する表層除去装置であって、レーザ光を出力する発光装置と、前記発光装置からのレーザ光を伝送するデリバリ光ファイバと、前記デリバリ光ファイバからのレーザ光を前記加工対象の表面に照射する光学ヘッドと、前記加工対象の表面において、前記複数のビームによって形成された複数のスポットを走査する走査機構と、を備え、前記加工対象の表面において、前記複数のスポットを第一方向に並べた状態で当該第一方向と交差した第二方向に走査することにより、前記加工対象の表層を除去する。
　前記表層除去装置では、前記複数のスポットの前記第一方向における配置間隔は、当該スポットを単独で前記第二方向に走査した場合に前記表層が除去される除去領域の前記第一方向の幅以下であってもよい。
　前記表層除去装置では、前記発光装置は、光ファイバレーザを有してもよい。
　前記表層除去装置では、前記デリバリ光ファイバから出力されたレーザ光のＭ２ビーム品質は、１０以下であってもよい。
　前記表層除去装置では、前記デリバリ光ファイバは、コアと、当該コアを取り囲むクラッドとを有し、前記コアの外径は、５０［μｍ］以上であってもよい。
　前記表層除去装置では、前記コアの外径は、８０［μｍ］以上であってもよい。
　前記表層除去装置では、前記コアの直径は、１００［μｍ］以上であってもよい。
　前記表層除去装置では、前記デリバリ光ファイバの長さは、５［ｍ］以上であってもよい。
　前記表層除去装置では、光源からのレーザ光を前記複数のスポットに分割するビームシェイパを備えてもよい。
　前記表層除去装置では、前記ビームシェイパは、回折光学素子であってもよい。
　本発明によれば、例えば、より改善された新規な表層除去方法および表層除去装置を得ることができる。
図１は、実施形態の表層除去装置の例示的な概略構成図である。 図２は、実施形態の表層除去装置に含まれる回折光学素子の原理の概念を示す説明図である。 図３は、実施形態の表層除去装置に含まれる光ファイバレーザの例示的な概略構成図である。 図４は、実施形態の表層除去装置によって加工対象の表面上に形成される複数のスポットのパターンの一例を示す模式図である。 図５は、実施形態の表層除去装置によって加工対象の表面上に一つのビームを走査した場合に表層が除去される除去領域の一例を示す模式図である。 図６は、実施形態の表層除去装置によって加工対象の表面上に形成される複数のスポットのパターンの別の一例を示す模式図である。 図７は、実施形態の表層除去装置によって形成された除去領域の一例の平面図（写真画像）である。 図８は、参考例の表層除去装置によって形成された除去領域の平面図（写真画像）である。 図９は、実施形態の表層除去装置によって加工対象としての金属部材の表面上に除去領域が形成されなかった状態を示す平面図（写真画像）である。 図１０は、実施形態の表層除去装置によって加工対象としての金属部材の表面上に好適な除去領域が形成された状態を示す平面図（写真画像）である。 図１１は、実施形態の表層除去装置によって加工対象としての金属部材の表面上が溶融した状態を示す平面図（写真画像）である。 図１２は、実施形態の表層除去装置によって加工対象としてのコンクリートの表面上に除去領域が形成されていない状態を示す平面図（写真画像）である。 図１３は、実施形態の表層除去装置によって加工対象としてのコンクリートの表面上に好適な除去領域が形成された状態を示す平面図（写真画像）である。 図１４は、実施形態の表層除去装置によって加工対象としてのコンクリートの表面が部分的にガラス化した状態を示す平面図（写真画像）である。 図１５は、実施形態の表層除去装置によって加工対象としての金属部材の表面をクリーニングしたものの汚れが残存してしまった状態を示す平面図（写真画像）である。 図１６は、実施形態の表層除去装置によって加工対象としての金属部材の表面の塗膜の最外層が除去された状態を示す平面図（写真画像）である。 図１７は、実施形態の表層除去装置によって加工対象としての金属部材の表面の塗膜の最外層および内層が除去され母材が露出した状態を示す平面図（写真画像）である。 図１８は、実施形態の表層除去装置によって加工対象としての金属部材の表面の塗膜の最外層および内層が除去されたものの母材が溶けてしまった状態を示す平面図（写真画像）である。
　以下、本発明の例示的な実施形態および変形例が開示される。以下に示される実施形態および変形例の構成、ならびに当該構成によってもたらされる作用および結果（効果）は、一例である。本発明は、以下の実施形態および変形例に開示される構成以外によっても実現可能である。また、本発明によれば、構成によって得られる種々の効果（派生的な効果も含む）のうち少なくとも一つを得ることが可能である。
　以下の実施形態および変形例は、同様の構成要素を有している。以下では、それら同様の構成要素については、共通の符号を付与するとともに、重複する説明を省略する場合がある。
　また、各図において、Ｘ方向を矢印Ｘで表し、Ｙ方向を矢印Ｙで表し、Ｚ方向を矢印Ｚで表している。Ｘ方向、Ｙ方向、およびＺ方向は、互いに交差するとともに直交している。
　また、本明細書において、序数は、方向等を区別するために便宜上付与されており、優先度や順番を示すものではない。
［表層除去装置およびレーザ溶接の概要］
　図１は、実施形態の表層除去装置１００の概略構成を示す図である。図１に示されるように、表層除去装置１００は、発光装置１１０と、光学ヘッド１２０と、デリバリ光ファイバ１３０と、を備えている。
　表層除去装置１００は、表層を除去する対象物Ｗの表面Ｗａにレーザ光Ｌを照射する。適切な条件下で処理を実行することにより、表面Ｗａ上の、レーザ光Ｌが照射された場所およびその近傍において、当該レーザ光Ｌのエネルギによってレーザアブレーションが生じ、表層が薄く除去される。この際、対象物Ｗの表面Ｗａを含むボディ（母材）を構成する材料とともに、当該表面Ｗａ上の汚れや錆、塗膜、塗料等の塗布物等が除去される。対象物Ｗは、加工対象の一例である。なお、レーザ光Ｌの照射による表層除去処理に先立ち、光学ヘッド１２０と対象物Ｗとは、表面Ｗａにおける表層除去処理の対象領域にレーザ光Ｌが照射されうる相対的な位置関係が得られるよう、セットされる。
　対象物Ｗは、例えば、建物や、建造物、建築物、建材、製品、部品、物体等、多岐に亘る。また、対象物Ｗを構成する材料は、例えば、金属や、コンクリート、モルタル等であるが、これらには限定されない。
　発光装置１１０は、レーザ発振器を備えており、一例としては、６０００［Ｗ］のパワーのレーザ光を出力できるよう構成されている。発光装置１１０については後に詳しく述べる。
　デリバリ光ファイバ１３０は、コアおよび当該コアを取り囲むクラッド（いずれも不図示）を有した光ファイバであって、発光装置１１０と光学ヘッド１２０とを光学的に接続している。言い換えると、デリバリ光ファイバ１３０は、発光装置１１０から出力されたレーザ光を光学ヘッド１２０に導く。
　建物や、建造物、建築物のような比較的大きな対象物Ｗへの適用のため、発光装置１１０と光学ヘッド１２０との距離を比較的長く確保できるよう、デリバリ光ファイバ１３０の長さは、例えば５［ｍ］以上かつ１００［ｍ］以下に設定される。このような長距離でのレーザ光の伝送を実現するため、デリバリ光ファイバ１３０のコアの直径は、５０［μｍ］以上であるのが好ましく、８０［μｍ］以上であるのがより好ましく、１００［μｍ］以上であるのがさらに好ましい。
　また、処理むらが少なく形状精度が高いような高品質な処理面（表層除去面）を得るためには、デリバリ光ファイバ１３０から光学ヘッド１２０へ出力されるレーザ光を高品質に維持するのが肝要である。このような観点から、デリバリ光ファイバ１３０は、上述した長さおよび直径を有したスペックにおいて、当該デリバリ光ファイバ１３０から出力されるレーザ光のＭ２ビーム品質が１０以下となるよう、構成される。Ｍ２ビーム品質は、Ｍ２ファクタとも称されうる。
　光学ヘッド１２０は、発光装置１１０から入力されたレーザ光を、対象物Ｗに向けて適宜に照射するための光学装置である。光学ヘッド１２０は、コリメートレンズ１２１と、集光レンズ１２２と、ミラー１２３と、ＤＯＥ１２５と、ガルバノスキャナ１２６と、を有している。コリメートレンズ１２１、集光レンズ１２２、ミラー１２３、ＤＯＥ１２５、およびガルバノスキャナ１２６は、光学部品とも称されうる。
　コリメートレンズ１２１は、それぞれ、デリバリ光ファイバ１３０を介して入力されたレーザ光をコリメートする。コリメートされたレーザ光は、平行光になる。
　ミラー１２３は、コリメートレンズ１２１で平行光となった第一レーザ光を反射し、ガルバノスキャナ１２６へ向かわせる。なお、他の光学系の配置によっては、ミラー１２３が不要となる場合もある。
　ガルバノスキャナ１２６は、複数のミラー１２６ａ，１２６ｂを有している。複数のミラー１２６ａ，１２６ｂの角度を変更することで、光学ヘッド１２０からのレーザ光Ｌの出射方向を切り替え、これにより、対象物Ｗの表面Ｗａ上でレーザ光Ｌの照射位置を変更することができる。ミラー１２６ａ，１２６ｂの角度は、それぞれ、例えば制御装置（不図示）によって制御されたモータのような駆動機構（不図示）によって変更される。レーザ光Ｌを照射しながら、レーザ光Ｌの出射方向を変更することにより、対象物Ｗの表面上で、レーザ光Ｌを走査することができる。ガルバノスキャナ１２６は、走査機構の一例である。
　集光レンズ１２２は、ガルバノスキャナ１２６から到来した平行光としてのレーザ光を集光し、レーザ光Ｌ（出力光）として、対象物Ｗへ照射する。
　ＤＯＥ１２５（ＤＯＥ：diffractive　optical　element、回折光学素子）は、コリメートレンズ１２１で平行光となった第一レーザ光のビームを成形する。ＤＯＥ１２５は、ビームシェイパの一例である。
　図２は、ＤＯＥ１２５の原理の概念を示す説明図である。図２に概念的に例示されるように、ＤＯＥ１２５は、例えば、周期の異なる複数の回折格子１２５ａが重ね合わせられた構成を備えている。ＤＯＥ１２５は、平行光を、各回折格子１２５ａの影響を受けた方向に曲げたり、重ね合わせたりすることにより、ビーム形状を成形することができる。
　ＤＯＥ１２５のようなビームシェイパを有することにより、光学ヘッド１２０において、レーザ光は複数のビームに分割される。光学ヘッド１２０からは、複数のビームを有したレーザ光Ｌが出力され、表面Ｗａ上には、当該複数のビームによって複数のスポットが形成される。なお、スポットは、互いに離間していてもよいし、繋がっていてもよい。
［発光装置］
　図３は、発光装置１１０の一例の概略構成図である。発光装置１１０は、複数の光源装置１０と、複数の出力光ファイバ１１と、光合波カプラ１２と、を有している。
　光源装置１０は、レーザ発振器とも称されうる。また、図３の光源装置１０は、一例として、連続的にレーザ光を出力し得るＣＷレーザである。
　光源装置１０は、光ファイバレーザであって、複数の半導体励起光源１と、複数の光ファイバ２と、光合波器３と、ファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）４と、増幅用光ファイバ５と、複数の半導体励起光源６と、ＦＢＧ７と、光合波器８と、複数の光ファイバ９と、を備えている。各要素は適宜光ファイバで接続されている。
　励起光源である複数の半導体励起光源１は、それぞれ、増幅用光ファイバ５に供給する励起光を出力する。励起光は、増幅用光ファイバ５を光励起できる波長、例えば９１５［ｎｍ］の波長を有している。複数の光ファイバ２は、それぞれ、各半導体励起光源１から出力された励起光を伝搬し、光合波器３に出力する。
　光合波器３は、本実施形態ではＴＦＢ（tapered　fiber　bundle）として構成されている。光合波器３は、各光ファイバ２から入力された励起光を、信号光ポートの光ファイバに合波し、増幅用光ファイバ５へ出力する。
　増幅用光ファイバ５は、石英系ガラスで作られたコア部に増幅物質であるイッテルビウム（Ｙｂ）イオンが添加されたＹＤＦ（ytterbium　doped　fiber）であり、コア部の外周には石英系ガラスで作られた内側クラッド層と樹脂等で作られた外側クラッド層とが順次形成されたダブルクラッド型の光ファイバである。なお、増幅用光ファイバ５のコア部はＮＡが例えば０．０８であり、Ｙｂイオンの発光、例えば波長１０７０［ｎｍ］の光をシングルモードで伝搬するように構成されている。増幅用光ファイバ５のコア部の吸収係数は、例えば波長９１５［ｎｍ］において２００［ｄＢ／ｍ］である。また、コア部に入力された励起光からレーザ発振光へのパワー変換効率は例えば７０％である。
　後端側反射手段であるＦＢＧ４は、光合波器３の信号光ポートの光ファイバと増幅用光ファイバ５との間に接続されている。ＦＢＧ４は、中心波長が例えば１０７０［ｎｍ］であり、中心波長およびその周辺の約２［ｎｍ］の幅の波長帯域における反射率が約１００％であり、波長９１５［ｎｍ］の光は殆ど透過する。また、出力側反射手段であるＦＢＧ７は、光合波器８の信号光ポートの光ファイバと増幅用光ファイバ５との間に接続されている。ＦＢＧ７は、中心波長がＦＢＧ４と略同じである例えば１０７０［ｎｍ］であり、中心波長における反射率が１０％～３０％程度であり、反射波長帯域の半値全幅が約１［ｎｍ］であり、波長９１５［ｎｍ］の光は殆ど透過する。
　ＦＢＧ４，７は、増幅用光ファイバ５の両端のそれぞれに対して配置され、波長１０７０［ｎｍ］の光に対して光ファイバ共振器を構成する。
　励起光源である複数の半導体励起光源６は、それぞれ、増幅用光ファイバ５に供給する励起光を出力する。励起光は、増幅用光ファイバ５を光励起できる波長、例えば９１５［ｎｍ］の波長を有している。複数の光ファイバ９は、それぞれ、各半導体励起光源６から出力された励起光を伝搬し、光合波器８に出力する。
　光合波器８は、光合波器３と同様に、本実施形態ではＴＦＢで構成されている。光合波器８は、各光ファイバ９から入力された励起光を信号光ポートの光ファイバに合波し、増幅用光ファイバ５へ出力する。
　増幅用光ファイバ５は、励起光によってコア部のＹｂイオンが光励起されることにより、波長１０７０［ｎｍ］を含む帯域の光を発光する。波長１０７０［ｎｍ］の光は、増幅用光ファイバ５の光増幅作用とＦＢＧ４，７によって構成される光共振器の作用とによってレーザ発振する。
　出力光ファイバ１１は、光合波器８に対してＦＢＧ７とは反対側に配置され、光合波器８の信号光ポートの光ファイバに接続されている。発振したレーザ光（レーザ発振光）は出力光ファイバ１１から出力される。
　複数の光源装置１０から出力されたレーザ光は、出力光ファイバ１１を経由して光合波カプラ１２に入力され、当該光合波カプラ１２で合波され、デリバリ光ファイバ１３０を経由して、光学ヘッド１２０に入力される。
［スポットパターンおよび走査］
　図４は、表面Ｗａ上に形成されたスポットＬｓのパターンの一例を示す図である。図４に示されるように、表面Ｗａ上には、レーザ光Ｌの複数のスポットＬｓが形成される。上述したように、レーザ光Ｌは、ＤＯＥ１２５のようなビームシェイパによって分割された複数のビームを含んでいる。スポットＬｓは、それぞれ、レーザ光Ｌに含まれるビームに対応している。
　複数のスポットＬｓは、Ｙ方向に延びた一つの列を形成するように配置されている。複数のスポットＬｓは、Ｙ方向に一定の間隔Ｄｉで配置されている。間隔Ｄｉは、配置間隔の一例である。
　光学ヘッド１２０は、表面Ｗａ上で、図４に示されるように複数のスポットＬｓをＹ方向に並べた状態で、Ｘ方向に走査することにより、対象物Ｗの表層を除去する。これにより、一つの小さなスポットＬｓを反復して走査する場合に比べて、より広い幅で表層を除去することができる分、走査回数を減らすことができ、処理時間の短縮を図ることができる。Ｙ方向は、第一方向の一例であり、Ｘ方向は、第二方向の一例である。
　図５は、図４のスポットＬｓを図４の照射と同じ照射条件で単独でＸ方向に走査した場合に表面Ｗａ上に形成される除去領域Ａｂを示す。除去領域Ａｂは、スポットＬｓの照射および走査によって表層が除去された領域である。図５に示されるように、スポットＬｓを単独で照射しながら走査した場合、表面Ｗａ上には、Ｙ方向に略一定の幅でＸ方向に延びた帯状の除去領域Ａｂが形成される。スポットＬｓの照射により、当該スポットＬｓによって照射された領域に加えて当該領域周辺の領域においても表層が除去されるため、除去領域Ａｂの幅ｗｂは、スポットＬｓの直径Ｄｓ（幅）よりも大きくなる。
　本実施形態では、このように、除去領域Ａｂの幅ｗｂがスポットＬｓの幅（直径Ｄｓ）よりも大きくなることを考慮した上で、図４のパターンでの走査において、スポットＬｓの間隔Ｄｉ（図４）を、除去領域Ａｂの幅ｗｂ（図５）以下に設定する。仮に、間隔Ｄｉが幅ｗｂよりも大きいと、Ｙ方向に隣り合うスポットＬｓに対応した除去領域Ａｂ間に、表層が除去されない領域が生じてしまう。この点、本実施形態のように、間隔Ｄｉを幅ｗｂ以下に設定すれば、Ｙ方向に隣り合うスポットＬｓに対応した除去領域Ａｂが互いに接するかあるいは重なり合うことになり、表層が除去されない領域が生じない。
　図６は、表面Ｗａ上に形成されたスポットＬｓのパターンの別の一例（変形例）を示す図である。図６の例では、表面Ｗａ上で、複数のスポットＬｓは、Ｙ方向に延びた複数の列を形成するように配置される。複数の列は、Ｘ方向にずれている。また、Ｘ方向に隣り合う二つの列において、複数のスポットＬｓは、互い違いに配置されている。すなわち、当該二つの列は、スポットＬｓがＹ方向に間隔をあけて並んだ第一の列と、スポットＬｓがＹ方向に間隔をあけて並ぶとともにＹ方向において当該第一の列とは異なる位置に並んだ第二の列と、を含んでいる。そして、複数のスポットＬｓのＹ方向における間隔Ｄｉ、すなわち、Ｙ方向における位置が近い二つのスポットＬｓ間の間隔Ｄｉは、図４，５の例の場合と同様、除去領域Ａｂの幅ｗｂ以下に設定される。図６の例の場合、図４の例と比較して、表面Ｗａ上におけるスポットＬｓの密度を減らすことができる分、局所的な過度な温度上昇を抑制できるという利点がある。
　また、発明者らは、実験的な研究により、複数のスポットＬｓを表面Ｗａ上で走査する場合に、スポットＬｓ間で強度のばらつきが大きいと、除去領域において場所による表層の除去の程度の差が生じ、処理状態のむら、すなわち、錆や塗布物の除去状態に差が生じたり、ボディ（母材）に凹凸が生じたりするという知見を得た。この観点において、複数のスポットＬｓのうち強度が最小となるスポットＬｓの強度の、強度が最大となるスポットＬｓの強度に対する比は、０．８以上であるのが好ましく、０．９以上であるのがより好ましいことが判明した。
［実験結果（参考例との比較）］
　図７は、本実施形態の表層除去装置１００を用いて形成した四角形状の除去領域Ａｂの一例を示す平面図（写真画像）である。図７の除去領域Ａｂは、図６に示されるスポットパターンを、Ｙ方向に位置をずらしながら複数回Ｘ方向に走査することにより、形成された。スポットパターンのＹ方向の全長（幅）は、２．６［ｍｍ］であり、除去領域Ａｂは、３０［ｍｍ］×３０［ｍｍ］の長方形状の領域であった。また、レーザ光Ｌの出力は５００［Ｗ］であり、走査速度は、０．５［ｍ／ｓ］であった。なお、上述した表層除去装置１００によれば、図７の除去領域Ａｂを、０．９［ｓｅｃ］（所要時間）で形成することができた。
　図８は、参考例の除去領域Ａｂｒの平面図（写真画像）である。図８の除去領域Ａｂｒは、デフォーカスによって拡大された点状のスポットを、Ｙ方向に位置をずらしながら複数回Ｘ方向に走査することにより、形成された。点状のスポットの直径は、３［ｍｍ］であり、除去領域Ａｂｒの大きさは、図７の場合の除去領域Ａｂと略同じであった。また、レーザ光Ｌの出力は５００［Ｗ］であり、走査速度は、０．１［ｍ／ｓ］であった。
　図８の除去領域Ａｂｒには、Ｙ方向に略一定の間隔で、Ｘ方向に延びた筋状の模様、すなわち「むら」が形成された。これは、デフォーカスによってスポットサイズを拡大したため、各スポットの中心部分と周縁部分とでパワー密度の差が大きくなり、スポットの中心部分での表層の除去量とスポットの周縁部分での表層の除去量との差が大きくなったためであると推定できる。また、図８に示されるように、除去領域Ａｂｒの周囲の輪郭Ａｂｒ１は、真っ直ぐな直線にはならず、ぼけたりギザギザが生じたりした。
　これに対し、本実施形態における図７の除去領域Ａｂには、図８の除去領域Ａｂｒで生じたような「むら」がほぼ無く、輪郭Ａｂ１は、真っ直ぐで明瞭な線状に形成された。これは、デリバリ光ファイバ１３０によって伝送された高品質なレーザ光から、光学ヘッド１２０が、ＤＯＥ１２５のようなビームシェイパを用いて、強度のばらつきが少なくかつ間隔Ｄｉが適宜に調整された複数のスポットＬｓを形成し、当該複数のスポットＬｓを走査したことによる効果であると言える。
［実験結果（強度条件）］
　また、発明者らの実験的な研究により、対象物Ｗのボディ（母材）が金属材料であり、かつ表面が錆びている場合、スポットＬｓの強度は、２５［Ｊ／ｃｍ２］以上であり、かつ３．８×１０４［Ｊ／ｃｍ２］未満であるのが好ましいことが判明した。図９～１１は、それぞれ、一つのスポットＬｓが走査された表面Ｗａの平面図（写真画像）である。図９は、強度が１０［Ｊ／ｃｍ２］、すなわち２５［Ｊ／ｃｍ２］よりも小さい場合、図１０は、強度が６．４×１０２［Ｊ／ｃｍ２］、すなわち２５［Ｊ／ｃｍ２］以上であり、かつ３．８×１０４［Ｊ／ｃｍ２］未満である場合、また、図１１は、強度が３．８×１０４［Ｊ／ｃｍ２］、すなわち３．８×１０４［Ｊ／ｃｍ２］以上である場合、を示す。図９のように、スポットＬｓの強度が２５［Ｊ／ｃｍ２］よりも小さい場合には、表層が除去されなかった。図１０のように、スポットＬｓの強度が２５［Ｊ／ｃｍ２］以上であり、かつ３．８×１０４［Ｊ／ｃｍ２］未満である場合には、好適に表層が除去された。また、図１１のように、スポットＬｓの強度が３．８×１０４［Ｊ／ｃｍ２］以上である場合には、表面Ｗａには材料が溶融した溶融痕Ａｍが出現した。なお、図９～１１の例において、対象物Ｗのボディ（母材）は、例えば、鋼板で作られている。また、錆の層の厚さは、例えば、４００［μｍ］である。ただし、母材の材質や錆の層の厚さは、これらには限定されない。
　また、対象物Ｗのボディ（母材）がコンクリートまたはモルタルである場合、スポットＬｓの強度は、１．２×１０４［Ｊ／ｃｍ２］以上であり、かつ５．７×１０５［Ｊ／ｃｍ２］未満であるのが好ましいことが判明した。図１２～１４は、それぞれ、一つのスポットＬｓが走査された表面Ｗａの平面図（写真画像）である。図１２は、強度が０．５×１０４［Ｊ／ｃｍ２］、すなわち１．２×１０４［Ｊ／ｃｍ２］よりも小さい場合、図１３は、強度が１．１×１０５［Ｊ／ｃｍ２］、すなわち１．２×１０４［Ｊ／ｃｍ２］以上であり、かつ５．７×１０５［Ｊ／ｃｍ２］未満である場合、また、図１４は、強度が５．７×１０５［Ｊ／ｃｍ２］、すなわち５．７×１０５［Ｊ／ｃｍ２］以上である場合、を示す。図１２のように、スポットＬｓの強度が１．２×１０４［Ｊ／ｃｍ２］よりも小さい場合には、表層が除去されなかった。図１３のように、スポットＬｓの強度が１．２×１０４［Ｊ／ｃｍ２］以上であり、かつ５．７×１０５［Ｊ／ｃｍ２］未満である場合には、好適に表層が除去された。また、図１４のように、スポットＬｓの強度が５．７×１０５［Ｊ／ｃｍ２］以上である場合には、材料がレーザの照射により高温状態になった後に急冷されることで表層がガラス質となり、表面Ｗａにガラス化領域Ａｇが出現した。
　また、対象物Ｗが、表面が塗膜で覆われた金属材料である場合、スポットＬｓの強度は、５．３×１０２［Ｊ／ｃｍ２］より大きく、１．３×１０５［Ｊ／ｃｍ２］より小さいのが好ましいことが判明した。図１５～１８は、二重の塗膜を有した金属板の同じサンプルに対し、それぞれ異なる強度でレーザ光のスポットＬｓを走査した各場合の平面図（写真画像）である。図１５～１８のサンプルでは、母材２０１（金属板）の表面上に、第一層２０２（塗膜）が塗布され、当該第一層２０２上に第二層２０３（塗膜）が塗布されている。なお、母材２０１は、例えば、鋼板で作られ、第一層２０２は、例えば、エポキシ樹脂塗料で作られ、第二層２０３は、例えば、アクリル樹脂塗料で作られている。また、第一層２０２の厚さは、例えば、３００［μｍ］であり、第二層２０３の厚さは、例えば、１００［μｍ］である。ただし、母材２０１、第一層２０２、および第二層２０３の材料や厚さは、これらには限定されない。
　（１）図１５は、強度が５．３×１０２［Ｊ／ｃｍ２］である場合、また、図１６は、強度が１．５×１０４［Ｊ／ｃｍ２］である場合を示す。図１５では、スポットＬｓが照射された領域Ａ１内において、第二層２０３が薄く除去されている。ただし、当該領域Ａ１内には、局所的に汚れＤが残存しており、クリーニングとしては不十分（強度不足）である。他方、図１６では、スポットＬｓが照射された領域Ａ１では第二層２０３が除去されてしまい、第一層２０２が露出している。これは、クリーニングとしては不適（強度過多）である。すなわち、表面の汚れを除去するクリーニングを行う場合、強度は、５．３×１０２［Ｊ／ｃｍ２］より大きく、かつ１．５×１０４［Ｊ／ｃｍ２］より小さいのが好ましい。
　（２）図１７は、強度が３．１×１０４［Ｊ／ｃｍ２］である場合、また、図１８は、強度が１．３×１０５［Ｊ／ｃｍ２］である場合を示す。図１７は、スポットＬｓが照射された領域Ａ１内において、第二層２０３が除去され、母材２０１が露出した、良好な状態を示す。他方、図１８では、図１７と同様、スポットＬｓが照射された領域Ａ１内において、第二層２０３が除去され、母材２０１が露出しているものの、強度が強すぎて、母材２０１が溶けてしまっている。すなわち、表層の塗膜を除去する場合、強度は、３．１×１０４［Ｊ／ｃｍ２］以上であり、かつ１．３×１０５［Ｊ／ｃｍ２］より小さいのが好ましい。
　上述したように、上記実施形態および変形例によれば、例えば、処理状態の場所によるばらつきを低減できたり、処理時間を短縮できたりするような、より改善された新規な表層除去方法および表層除去装置１００を得ることができる。
　以上、本発明の実施形態および変形例が例示されたが、上記実施形態および変形例は一例であって、発明の範囲を限定することは意図していない。上記実施形態および変形例は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、組み合わせ、変更を行うことができる。また、各構成や、形状、等のスペック（構造や、種類、方向、型式、大きさ、長さ、幅、厚さ、高さ、数、配置、位置、材質等）は、適宜に変更して実施することができる。
　本発明は、表層除去方法および表層除去装置に利用することができる。
１…半導体励起光源
２…光ファイバ
３…光合波器
４…ファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）
５…増幅用光ファイバ
６…半導体励起光源
７…ＦＢＧ
８…光合波器
９…光ファイバ
１０…光源装置
１１…出力光ファイバ
１２…光合波カプラ
１００…表層除去装置
１１０…発光装置
１２０…光学ヘッド
１２１…コリメートレンズ
１２２…集光レンズ
１２３…ミラー
１２５…ＤＯＥ（ビームシェイパ）
１２５ａ…回折格子
１２６…ガルバノスキャナ（走査機構）
１２６ａ，１２６ｂ…ミラー
１３０…デリバリ光ファイバ
２０１…母材
２０２…第一層（塗膜）
２０３…第二層（塗膜）
Ａ１…領域
Ａｂ…除去領域
Ａｂ１…輪郭
Ａｂｒ…除去領域
Ａｂｒ１…輪郭
Ａｇ…ガラス化領域
Ａｍ…溶融痕
Ｄ…汚れ
Ｄｉ…間隔（配置間隔）
Ｄｓ…直径（幅）
Ｌ…レーザ光
Ｌｓ…スポット
Ｗ…対象物（加工対象）
Ｗａ…表面
ｗｂ…幅
Ｘ…方向（第二方向）
Ｙ…方向（第一方向）
Ｚ…方向

Claims (24)

  1. 　加工対象に複数のビームを含むレーザ光を照射して当該加工対象の表層を除去する表層除去方法であって、
    　前記加工対象の表面において、複数のビームによって形成された複数のスポットを第一方向に並べた状態で当該第一方向と交差した第二方向に走査することにより、前記加工対象の表層を除去する、表層除去方法。
  2. 　複数の前記スポットの前記第一方向における配置間隔は、当該スポットを単独で前記第二方向に走査した場合に前記表層が除去される除去領域の前記第一方向の幅以下である、請求項１に記載の表層除去方法。
  3. 　複数の前記スポットは、前記第一方向に延びた一つの列を形成するように配置された、請求項１または２に記載の表層除去方法。
  4. 　複数の前記スポットは、前記第一方向に延びて前記第二方向にずれた複数の列を形成するように配置された、請求項１または２に記載の表層除去方法。
  5. 　前記複数の列は、
    複数の前記スポットが、前記第一方向に間隔をあけて配置された第一の列と、
    複数の前記スポットが、前記第一方向に間隔をあけて、前記第一方向において前記第一の列に配置された複数の前記スポットとは異なる位置に配置された第二の列と、
    を含む、請求項４に記載の表層除去方法。
  6. 　前記複数のスポットのうち強度が最小となるスポットの強度の、前記複数のスポットのうち強度が最大となるスポットの強度に対する比は、０．８以上である、請求項１～５のうちいずれか一つに記載の表層除去方法。
  7. 　光源からのレーザ光をビームシェイパによって前記複数のスポットに分割する、請求項１～６のうちいずれか一つに記載の表層除去方法。
  8. 　前記ビームシェイパは、回折光学素子である、請求項７に記載の表層除去方法。
  9. 　前記加工対象の材料は、表面が錆びた金属であって、前記スポットの強度は、２５［Ｊ／ｃｍ２］以上である、請求項１～８のうちいずれか一つに記載の表層除去方法。
  10. 　前記スポットの強度は、３．８×１０４［Ｊ／ｃｍ２］未満である、請求項９に記載の表層除去方法。
  11. 　前記加工対象の材料は、コンクリートまたはモルタルであって、前記スポットの強度は、１．２×１０４［Ｊ／ｃｍ２］以上である、請求項１～８のうちいずれか一つに記載の表層除去方法。
  12. 　前記スポットの強度は、５．７×１０５［Ｊ／ｃｍ２］未満である、請求項１１に記載の表層除去方法。
  13. 　前記加工対象の材料は、表面が塗膜で覆われた金属であって、前記スポットの強度は、５．３×１０２［Ｊ／ｃｍ２］より大きい、請求項１～８のうちいずれか一つに記載の表層除去方法。
  14. 　前記スポットの強度は、１．３×１０５［Ｊ／ｃｍ２］より小さい、請求項１３に記載の表層除去方法。
  15. 　加工対象に複数のビームを含むレーザ光を照射して当該加工対象の表層を除去する表層除去装置であって、
    　レーザ光を出力する発光装置と、
    　前記発光装置からのレーザ光を伝送するデリバリ光ファイバと、
    　前記デリバリ光ファイバからのレーザ光を前記加工対象の表面に照射する光学ヘッドと、
    　前記加工対象の表面において、前記複数のビームによって形成された複数のスポットを走査する走査機構と、
    　を備え、
    　前記加工対象の表面において、前記複数のスポットを第一方向に並べた状態で当該第一方向と交差した第二方向に走査することにより、前記加工対象の表層を除去する、表層除去装置。
  16. 　前記複数のスポットの前記第一方向における配置間隔は、当該スポットを単独で前記第二方向に走査した場合に前記表層が除去される除去領域の前記第一方向の幅以下である、請求項１５に記載の表層除去装置。
  17. 　前記発光装置は、光ファイバレーザを有した、請求項１５または１６に記載の表層除去装置。
  18. 　前記デリバリ光ファイバから出力されたレーザ光のＭ２ビーム品質は、１０以下である、請求項１５～１７のうちいずれか一つに記載の表層除去装置。
  19. 　前記デリバリ光ファイバは、コアと、当該コアを取り囲むクラッドとを有し、
    　前記コアの直径は、５０［μｍ］以上である、請求項１５～１８のうちいずれか一つに記載の表層除去装置。
  20. 　前記コアの直径は、８０［μｍ］以上である、請求項１９に記載の表層除去装置。
  21. 　前記コアの直径は、１００［μｍ］以上である、請求項２０に記載の表層除去装置。
  22. 　前記デリバリ光ファイバの長さは、５［ｍ］以上である、請求項１８～２１のうちいずれか一つに記載の表層除去装置。
  23. 　光源からのレーザ光を前記複数のスポットに分割するビームシェイパを備えた、請求項１５～２２のうちいずれか一つに記載の表層除去装置。
  24. 　前記ビームシェイパは、回折光学素子である、請求項２３に記載の表層除去装置。
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