特開 2023-150449 照射制御装置及び照射制御方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023150449

(43)【公開日】2023-10-16

(54)【発明の名称】照射制御装置及び照射制御方法

(51)【国際特許分類】

   B23K 26/082 20140101AFI20231005BHJP

   B23K 26/36 20140101ALI20231005BHJP

   B23K 26/064 20140101ALI20231005BHJP

【ＦＩ】

B23K26/082

B23K26/36

B23K26/064 N

【審査請求】未請求

【請求項の数】9

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022059558

(22)【出願日】2022-03-31

(71)【出願人】

【識別番号】390029089

【氏名又は名称】高周波熱錬株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100091487

【弁理士】

【氏名又は名称】中村 行孝

(74)【代理人】

【識別番号】100120031

【弁理士】

【氏名又は名称】宮嶋 学

(74)【代理人】

【識別番号】100103263

【弁理士】

【氏名又は名称】川崎 康

(74)【代理人】

【識別番号】100118876

【弁理士】

【氏名又は名称】鈴木 順生

(72)【発明者】

【氏名】鈴木 亮介

(72)【発明者】

【氏名】須永 頼匡

(72)【発明者】

【氏名】川瀬 将人

【テーマコード（参考）】

4E168

【Ｆターム（参考）】

4E168AD00

4E168CB03

4E168DA43

4E168EA17

4E168JA02

4E168JB04

4E168KB02

(57)【要約】

【課題】鋼材の凹部又は内周部にレーザ光を照射できるようにする。
【解決手段】レーザ光を出射する光源と、照射制御装置は、凹部又は内周部を有する鋼材における前記凹部又は前記内周部の表面に沿って、前記光源から出射されたレーザ光の照射位置を順次に切り替える光走査部と、を備える。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

レーザ光を出射する光源と、
凹部又は内周部を有する鋼材における前記凹部又は前記内周部の表面に沿って、前記光源から出射されたレーザ光の照射位置を順次に切り替える光走査部と、を備える、照射制御装置。

【請求項2】

前記光走査部は、前記レーザ光の照射により、前記凹部又は前記内周部の表面を改質する、請求項１に記載の照射制御装置。

【請求項3】

前記光走査部は、回転軸周りに回転自在とされて前記レーザ光を反射させる反射部材を有し、
前記反射部材は、前記回転軸の回転に応じて前記レーザ光の伝搬方向を切り替える、
請求項１又は２に記載の照射制御装置。

【請求項4】

前記回転軸に沿って、前記光源及び前記光走査部を一体的に移動させる走査系移動支持部を備える、請求項３に記載の照射制御装置。

【請求項5】

少なくとも前記回転軸に沿った方向に前記鋼材を移動させる鋼材移動支持部を備える、請求項３に記載の照射制御装置。

【請求項6】

前記鋼材移動支持部は、前記回転軸に沿った方向を含む３軸方向に前記鋼材を移動させる、請求項５に記載の照射制御装置。

【請求項7】

前記光源及び前記光走査部の間隔を一定に保った状態で、前記光源及び前記光走査部が並ぶ方向に沿って前記光源及び前記光走査部を一体的に移動させる走査系移動支持部と、
前記光源及び前記光走査部が並ぶ方向の周りに前記鋼材を回転させる鋼材回転部と、を備える、請求項１又は２に記載の照射制御装置。

【請求項8】

前記光源からのレーザ光の伝搬方向を可変可能な光導波路を有する湾曲部と、
前記湾曲部の一端側に配置され、前記湾曲部の屈曲方向に応じた伝搬方向にレーザ光を前記凹部又は前記内周部に出射する出射部と、
前記湾曲部の他端側に配置され、前記湾曲部の屈曲方向を指示する操作部と、を備える、請求項１又は２に記載の照射制御装置。

【請求項9】

凹部又は内周部を有する鋼材における前記凹部又は前記内周部の表面に沿って、光源から出射されたレーザ光の照射位置を順次に切り替える、照射制御方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の一実施形態は、照射制御装置及び照射制御方法に関する。

【背景技術】

【0002】

母材上の除去対象物をレーザ光の照射により除去するレーザクリーニング装置が知られている。レーザクリーニング装置は、除去対象物にレーザ光を照射して、レーザ光のエネルギを除去対象物に吸収させて蒸発させるとともに、レーザ光の照射時の衝撃波と熱膨張圧で除去対象物を母材から剥離する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１５－２１７４２７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

既存のレーザクリーニング装置は主に、露出面上の除去対象物の除去を目的としている。これに対して、中空の環状部材の内周部や、エンジンブロックの凹部などは、奥まった箇所にあるため、レーザ光を照射するのが容易ではない。よって、既存のレーザクリーニング装置は、鋼材の凹部や内周部に錆などの付着物を除去するために有効活用されていない。
そこで、本発明の一実施形態では、鋼材の凹部又は内周部にレーザ光を照射できるようにした照射制御装置及び照射制御方法を提供するものである。

【課題を解決するための手段】

【0005】

上記の課題を解決するために、本発明の一実施形態によれば、レーザ光を出射する光源と、凹部又は内周部を有する鋼材における前記凹部又は前記内周部の表面に沿って、前記光源から出射されたレーザ光の照射位置を順次に切り替える光走査部と、を備える、照射制御装置が提供される。

【図面の簡単な説明】

【0006】

【図1】第１の実施形態による照射制御装置の概略構成を示すブロック図。

【図2】第１の実施形態による照射制御装置の概略構成を示すブロック図。

【図3】第２の実施形態による照射制御装置の概略構成を示すブロック図。

【図4】第３の実施形態による照射制御装置の概略構成を示すブロック図。

【図5】第４の実施形態による照射制御装置の模式的な外観図。

【発明を実施するための形態】

【0007】

以下、図面を参照して、照射制御装置及び照射制御方法の実施形態について説明する。以下では、照射制御装置の主要な構成部分を中心に説明するが、照射制御装置には、図示又は説明されていない構成部分や機能が存在しうる。以下の説明は、図示又は説明されていない構成部分や機能を除外するものではない。

【0008】

（第１の実施形態）
図１及び図２は第１の実施形態による照射制御装置１の概略構成を示すブロック図である。図１及び図２の照射制御装置１は、レーザクリーナ２から出射されたレーザ光の照射位置を、鋼材４の凹部５又は内周部６の表面に沿って順次に切り替えることを特徴とする。

【0009】

レーザクリーナ２は、例えば近赤外線帯域の短パルスレーザ光を周期的に出射する光源である。レーザクリーナ２は、市販されている汎用製品を利用可能である。なお、レーザクリーナ２の代わりに、短パルスレーザ光を出射する光源を用いてもよい。

【0010】

レーザ光が照射される鋼材４は、凹部５又は内周部６を有する。図１は鋼材４が凹部５を有する例を示す。凹部５のサイズ及び形状、数は任意である。例えば、図１の鋼材４は、エンジンブロックのように、ピストン等が出し入れされる複数の凹部５を有していてもよい。図２は鋼材４が内周部６を有する例を示す。図２の鋼材４は、中空の環状部材である。

【0011】

このように、第１の実施形態による照射制御装置１は、露出された平坦面（以下、露出面と呼ぶ）にレーザ光を照射することを意図したものではなく、露出面から窪んだ凹部５、又は露出面の内側に配置される内周部６にレーザ光を照射して、凹部５又は内周部６の表面を改質することを意図している。なお、第１の実施形態による照射制御装置１は、露出面へのレーザ光の照射を排除するものではなく、凹部５又は内周部６へのレーザ光の照射に加えて、露出面へのレーザ光の照射を行ってもよい。

【0012】

ここで、凹部５又は内周部６の表面の改質とは、凹部５又は内周部６の組成又は構造を変化させるだけでなく、凹部５又は内周部６の表面に付着された錆等の付着物を除去することも含まれる。

【0013】

図１の照射制御装置１は、光走査部７と走査系移動支持部８を備えている。図１の光走査部７は、レーザクリーナ２から出射されたレーザ光の照射位置を、鋼材４の凹部５又は内周部６の表面に沿って順次に切り替える。典型的には、光操作部は、鋼材４の凹部５又は内周部６の全域にレーザ光を照射する。鋼材４の凹部５又は内周部６の表面は、レーザ光の照射により改質される。

【0014】

図１の光走査部７は、反射部材９を有する。反射部材９は、レーザクリーナ２から出射されたレーザ光を反射させる。反射されたレーザ光は、鋼材４の凹部５又は内周部６に照射される。反射部材９の反射面の法線方向を、レーザクリーナ２から出射されたレーザ光の伝搬方向に対して、順次に切り替えることで、反射部材９で反射されたレーザ光の伝搬方向を順次に変更することができる。

【0015】

反射部材９は、回転軸周りに回転自在とされている。回転軸は、例えば中空の環状部材である円筒部材１０である。反射部材９は、例えば円筒部材１０の一端部に取り付けられている。円筒部材１０の中空部は、レーザクリーナ２から出射されたレーザ光を伝搬させる光導波路として機能する。

【0016】

円筒部材１０の他端部は反射部材回転部１１に接合されている。円筒部材１０と反射部材回転部１１は一体的に回転及び移動する。反射部材回転部１１には、ベルト１２が掛け渡されており、このベルト１２は第１モータ１３の回転軸１３ａにも掛け渡されている。第１モータ１３の回転軸１３ａの回転に応じてベルト１２が回転し、ベルト１２の回転に応じて円筒部材１０が回転し、円筒部材１０の回転と一体に反射部材９が回転する。反射部材９には、円筒部材１０の中空部を伝搬したレーザ光が照射される。円筒部材１０が回転すると、円筒部材１０の中空部を伝搬するレーザ光の伝搬方向に対する反射部材９の反射面の法線方向が変化するため、反射部材９に照射されたレーザ光の反射方向が変化する。これにより、円筒部材１０が一回転する間に、反射部材９に照射されたレーザ光の反射方向は３６０度の角度で変化する。すなわち、反射部材９は、円筒部材１０の中空部を伝搬したレーザ光を、円筒部材１０の外周面の法線方向に反射させる。

【0017】

図１の走査系移動支持部８は、円筒部材１０の長手方向に沿って、レーザクリーナ２及び光走査部７を一体的に移動させる。本明細書では、反射部材９の回転軸に沿った方向、すなわち円筒部材１０の長手方向を第１方向Ｘと呼ぶ。

【0018】

走査系移動支持部８には、反射部材回転部１１が回転自在に接合されるとともに、第１モータ１３とレーザクリーナ２が接合されている。走査系移動支持部８は、不図示のボールねじにより、円筒部材１０の長手方向（第１方向Ｘ）に延びるリードねじ部１５の回転に伴って、リードねじ部１５の長手方向に移動する。リードねじ部１５の端部にはベルト１６が掛け渡され、このベルト１６は第２モータ１７の回転軸１７ａにも掛け渡されている。第２モータ１７の回転軸１７ａが回転すると、ベルト１６を介してリードねじ部１５が回転する。リードねじ部１５が回転すると、走査系移動支持部８の内部のボールねじにより、走査系移動支持部８はリードねじ部１５の長手方向（第１方向Ｘ）に移動する。これにより、走査系移動支持部８に回転自在に支持されている反射部材回転部１１、円筒部材１０及び反射部材９が第１方向Ｘに移動する。

【0019】

このように、反射部材９は、第１方向Ｘに移動しながら、第１方向Ｘの周りを回転する。これにより、反射部材９は、鋼材４の凹部５の全域にレーザ光を照射可能となる。
図２の照射制御装置１では、中空構造の鋼材４の内周部６よりも内側に反射部材９が配置されている。反射部材９を回転させる円筒部材１０と反射部材回転部１１を設けることと、反射部材９を第１方向Ｘに移動させる走査系移動支持部８を設けることにより、中空構造の鋼材４の内周部６の全域にレーザ光を照射可能となる。

【0020】

図１における鋼材４の凹部５、又は図２における鋼材４の内周部６にレーザ光を照射することで、鋼材４の凹部５又は内周部６の表面を改質することができる。より具体的には、鋼材４の凹部５又は内周部６に付着された除去対象物にレーザ光のエネルギを吸収させて蒸発させるとともに、レーザ光の照射時の衝撃波と熱膨張圧で除去対象物を凹部５又は内周部６から剥離することができる。

【0021】

このように、第１の実施形態では、鋼材４の凹部５又は内周部６に反射部材９を配置し、第２モータ１７を回転させて反射部材９をレーザ光の伝搬方向（第１方向Ｘ）に沿って移動させながら、第１モータ１３を回転させて反射部材９をレーザ光の伝搬方向の周りに回転させることができる。これにより、鋼材４の凹部５又は内周部６の全域にレーザ光を照射でき、凹部５又は内周部６の表面を改質することができる。

【0022】

（第２の実施形態）
第２の実施形態は、光走査部７を移動させずに鋼材４を移動させるものである。

【0023】

図３は第２の実施形態による照射制御装置１の概略構成を示すブロック図である。図３では、図１及び図２と共通する構成部分には同一符号を付しており、以下では相違点を中心に説明する。

【0024】

図３の照射制御装置１は、図１の走査系移動支持部８の代わりに固定支持部２１を備えている。また、図３の照射制御装置１は、鋼材移動支持部２２を備えている。さらに、図３の照射制御装置１は、図１の第２モータ１７、ベルト１６、リードねじ部１５、及びボールねじ部を備えていない。

【0025】

固定支持部２１は、反射部材回転部１１を回転自在に支持するとともに、第１モータ１３とレーザクリーナ２を支持する。固定支持部２１の位置は固定である。

【0026】

鋼材移動支持部２２は、少なくとも円筒部材１０の長手方向に沿った方向に鋼材４を移動させる。典型的には、鋼材移動支持部２２は、鋼材４を３軸方向ＸＹＺに移動させる。３軸方向ＸＹＺとは、例えば互いに９０度異なる方向である。鋼材移動支持部２２は、反射部材回転部１１の回転に同期させて、鋼材４を３軸方向ＸＹＺに移動させる。これにより、反射部材９で反射されたレーザ光が凹部５又は内周部６に照射されるまでの光路長を等しくすることができる。より具体的には、鋼材移動支持部２２は、反射部材９で反射されたレーザ光が所定の方向に伝搬する場合と、所定の方向以外の方向に伝搬する場合とで、反射部材９のレーザ光の照射位置から、鋼材４の凹部５又は内周部６の照射位置までの光路長が等しくなるように、鋼材４を３軸方向ＸＹＺに移動させることができる。

【0027】

例えば、鋼材４の凹部５又は内周部６が図３の上下方向よりも紙面の表裏方向に長い場合、図１及び図２の走査系移動支持部８では、鋼材４の凹部５又は内周部６に照射されるレーザ光の光路長を一定にできないが、図３の照射制御装置１では、鋼材移動支持部２２で鋼材４を３軸方向ＸＹＺに移動できるため、任意の形状の凹部５又は内周部６であっても、凹部５又は内周部６の全域に一定の光路長でレーザ光を照射できる。

【0028】

図３は、鋼材４の凹部５にレーザ光を照射する例を示しているが、第２の実施形態による照射制御装置１は、図２と同様に、鋼材４の内周部６にレーザ光を照射することも可能である。

【0029】

このように、第２の実施形態による照射制御装置１では、図１及び図２の走査系移動支持部８の代わりに固定支持部２１を設けるため、図１の第２モータ１７、ベルト１６、リードねじ部１５、及びボールねじ部を設ける必要がなくなり、構成を簡略化できる。また、鋼材４を３軸方向ＸＹＺに移動可能な鋼材移動支持部２２を設けるため、任意の形状及びサイズの凹部５又は内周部６の全域に、一定の光路長でレーザ光を照射できる。

【0030】

鋼材移動支持部２２は、必ずしも３軸方向ＸＹＺに鋼材４を移動させる必要はなく、最低でも円筒部材１０の長手方向に鋼材４を移動させることができればよい。鋼材４の紙面奥行き方向の断面における凹部５又は内周部６の断面形状が小サイズの円形の場合には、鋼材移動支持部２２は円筒部材１０の長手方向のみに鋼材４を移動させることができれば、凹部５又は内周部６の全域にほぼ一定の光路長でレーザ光を照射できる。よって、鋼材移動支持部２２は、必ずしも３軸方向ＸＹＺに鋼材４を移動させる必要はなく、少なくとも一軸方向に鋼材４を移動させることができればよい。

【0031】

（第３の実施形態）
第３の実施形態は、中空部を有する環状の鋼材４を回転させるようにしたものである。

【0032】

図４は第３の実施形態による照射制御装置１の概略構成を示すブロック図である。図４では、図１～図３と共通する構成部分には同一の符号を付しており、以下では相違点を中心に説明する。図４の照射制御装置１は、第１及び第２の実施形態による照射制御装置１における反射部材回転部１１の代わりに、反射部材固定部２３を備えている。反射部材固定部２３は、走査系移動支持部８に固定されている。走査系移動支持部８は、図１と同様の構造であり、ボールねじ部を介して、リードねじ部１５に沿って図４の左右方向（第１方向Ｘ）に移動する。リードねじ部１５は、第２モータ１７の回転軸１７ａとベルト１６によって掛け渡されており、第２モータ１７が回転軸１７ａを回転させると、それに応じてリードねじ部１５も回転する。

【0033】

また、図４の照射制御装置１は、鋼材４を回転させる鋼材回転部２４を備えている。鋼材回転部２４は、円筒部材１０の外周面に沿って鋼材４を回転させる。鋼材回転部２４は、中空環状の鋼材４の外周面を把持するチャック２５と、チャック２５で把持された鋼材４を回転させる回転機構部２６とを有する。回転機構部２６は、チャック２５で把持された鋼材４を、鋼材４の中心軸の周りに回転させる。

【0034】

図４の反射部材９は、図４の左右方向（第１方向Ｘ）に移動可能とされているが、円筒部材１０の長手方向の周囲を回転することはできない。その代わりに、鋼材４が円筒部材１０の外周面に沿って回転する。これにより、第１の実施形態と同様に、反射部材９で反射されたレーザ光を鋼材４の内周部６の全域に照射させることができる。

【0035】

図４では、中空部を有する環状の鋼材４にレーザ光を照射する例を示したが、図１及び図３に示すように、凹部５を有する鋼材４に対してレーザ光を照射することも可能である。この場合、鋼材４の外周面をチャック２５で把持した状態で、回転機構部２６は、鋼材４の外周面に沿って、鋼材４を回転させる。

【0036】

このように、第３の実施形態では、凹部５又は内周部６を有する鋼材４を回転させることにより、反射部材９を回転させる場合と同様に、鋼材４の凹部５又は内周部６の全域にレーザ光を照射できる。

【0037】

（第４の実施形態）
第４の実施形態は、ファイバスコープを用いて、鋼材４の凹部５又は内周部６にレーザ光を照射するものである。鋼材４は、例えば中空部を有する環状の湾曲部材である。

【0038】

図５は第４の実施形態による照射制御装置１の模式的な外観図である。図５の照射制御装置１は、鋼材４の凹部５又は内周部６に挿脱自在のファイバスコープ３１を備えている。

【0039】

ファイバスコープ３１は、挿入部３２と操作部３３を有する。挿入部３２は、鋼材４の凹部５又は内周部６に挿入されて、操作部３３の操作指示に応じてレーザ光の出射方向を切り替える。挿入部３２は、操作部３３に近い側から、軟性部３４と、湾曲部３５と、先端部３６とを有する。軟性部３４は、操作部３３と湾曲部３５の間に配置され、可撓性を有する。湾曲部３５は、操作部３３から延びるワイヤの牽引方向及び牽引力を調整することで、湾曲方向を任意に調整できる。湾曲部３５は、光走査部７に対応する。先端部３６は、湾曲部３５の湾曲方向に沿った方向にレーザ光を出射する。

【0040】

操作部３３は、湾曲部３５の湾曲方向を指示する操作ノブ３７を有する。この操作ノブ３７を回転操作することで、湾曲部３５を操作ノブ３７の回転量に応じて任意の方向に湾曲させることができる。

【0041】

また、操作部３３には、必要に応じて、モニタ装置３８を接続することができる。モニタ装置３８は、先端部３６に取り付けられた不図示の撮像装置で撮像された鋼材４の凹部５又は内周部６の表面を表示する。操作者は、モニタ画面を見ながら、操作ノブ３７を操作して、湾曲部３５の湾曲方向を変更し、所望の方向にレーザ光を照射することができる。

【0042】

図５では、操作者が操作ノブ３７を操作して湾曲部３５の湾曲方向を切替制御する例を示したが、湾曲部３５が３６０度方向に連続的に湾曲方向を自動で切り替える機能を設けてもよい。さらには、挿入部３２の挿入位置を連続的に切り替えられる機能を設けてもよい。これら２つの機能を設けることで、中空環状の鋼材４の内周部６の全域にレーザ光を照射することができる。

【0043】

このように、第４の実施形態では、ファイバスコープ３１を用いて鋼材４の凹部５又は内周部６にレーザ光を照射するため、第１～第３の実施形態よりも、照射制御装置１の構成を大幅に簡略化できる。

【0044】

本開示の態様は、上述した個々の実施形態に限定されるものではなく、当業者が想到しうる種々の変形も含むものであり、本開示の効果も上述した内容に限定されない。すなわち、特許請求の範囲に規定された内容およびその均等物から導き出される本開示の概念的な思想と趣旨を逸脱しない範囲で種々の追加、変更および部分的削除が可能である。

【符号の説明】

【0045】

１ 照射制御装置、２ レーザクリーナ、４ 鋼材、５ 凹部、６ 内周部、７ 光走査部、８ 走査系移動支持部、９ 反射部材、１０ 円筒部材、１１ 反射部材回転部、１２ ベルト、１３ 第１モータ、１３ａ 回転軸、１５ リードねじ部、１６ ベルト、１７ 第２モータ、１７ａ 回転軸、２１ 固定支持部、２２ 鋼材移動支持部、２３ 反射部材固定部、２４ 鋼材回転部、２５ チャック、２６ 回転機構部、３１ ファイバスコープ、３２ 挿入部、３３ 操作部、３４ 軟性部、３５ 湾曲部、３６ 先端部、３７ 操作ノブ、３８ モニタ装置

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】