JP2006026712A

JP2006026712A - レーザ加工装置

Info

Publication number: JP2006026712A
Application number: JP2004211879A
Authority: JP
Inventors: Shinji Nishino; 眞司西野; Yoshinori Izawa; 佳典伊澤
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2004-07-20
Filing date: 2004-07-20
Publication date: 2006-02-02

Abstract

【課題】加工時間の短縮化を図ると共に高精度な加工が可能なレーザ加工装置を提供する。
【解決手段】シリンダ９０のボア内面９１に凹部を形成するためのレーザ加工装置１であって、レーザ光Ｌを発振するレーザ発振器１０と、当該レーザ発振器１０から発振されたレーザ光Ｌを集光する集光レンズ３２を有する集光ヘッド３０と、を少なくとも備え、レーザ発振器１０は、レーザ光の中心部から所定径内の部分のみを透過可能な開口部１５１が形成されたアパーチャ１５を有し、当該レーザ発振器１０から発振され集光レンズ３２により集光されたレーザ光Ｌを、当該レーザ光のスポット径が凹部の径と実質的に同一となるようにシリンダ９０のボア内面９１に照射する。
【選択図】図３

Description

本発明は、自動車用エンジン等のシリンダのボア内面等のような筒状体の内壁面に対してレーザ光を用いて加工を行うレーザ加工装置に関する。

従来から、自動車用エンジン等のシリンダの焼き付きを防止するために、ホーニング加工により当該シリンダのボア内面にディンプル状の凹部を形成して油溜まりを設けることが行われているが、近年、このホーニング加工に代えて、レーザ光を用いてボア内面を加工することにより凹部を形成する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。

しかしながら、このようなレーザ加工による凹部形成では、加工に用いられるレーザ光のエネルギー密度が十分に高くないため、所望する凹部深さを確保するために、同一の加工位置に対してレーザ光のパルス発振を何度も繰り返しており、凹部形成工程におけるレーザ加工に長時間を費やしている。

また、レーザ光のエネルギー密度が十分に高くないことに伴って、ボア内面に照射されたレーザ光におけるエネルギー密度分布が非常に緩やかであるため、凹部の形状がバラツク等して所望する凹部の形状を確保し難く、筒状体の内壁面を高精度に加工することが困難となっている。
特開平７−０４００６８号公報

本発明は、加工時間の短縮化を図ると共に高精度な加工が可能なレーザ加工装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明によれば、筒状体の内壁面に凹部を形成するためのレーザ加工装置であって、レーザ光を発振するレーザ発振手段と、前記レーザ発振手段から発振された前記レーザ光を集光する集光レンズを有する集光手段と、を少なくとも備え、前記レーザ発振手段は、前記レーザ光の中心部から所定径内の部分のみを透過可能な開口部が形成されたアパーチャを有し、前記レーザ発振手段から発振され前記集光レンズにより集光された前記レーザ光を、当該レーザ光のスポット径が前記凹部の径と実質的に同一となるように、前記筒状体の内壁面に照射するレーザ加工装置が提供される。

本発明では、レーザ発振手段にアパーチャを設け、レーザ光の中心部から所定径内の部分のみを透過させて出力させることにより、レーザ光のエネルギー密度の高い部分のみを照射することが可能となる。これにより、少ないパルス発振回数で所望する凹部深さを確保することが出来、加工時間の短縮化を図ることが可能となる。

また、高エネルギー密度のレーザ光を照射することが可能になることに伴って、目的とする凹部径と実質的に同一のスポット径でレーザ光を照射して、所望する凹部の形状を確保することが出来るので、筒状体の内壁面の高精度な加工が可能になる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１（Ａ）は本発明の実施形態における被加工物であるシリンダのボア内面を示す斜視図、図１（Ｂ）は図１（Ａ）のボア内面に形成された凹部の拡大正面図、図１（Ｃ）は図１（Ｂ）のIC-IC線に沿った凹部の断面図である。

先ず、本実施形態に係るレーザ加工装置１の加工対象物（ワーク）であるシリンダ９０について説明すると、このシリンダ９０は、例えば、自動車用エンジン等の内燃機関に用いられる金属製のシリンダであり、図１（Ａ）に示すように、全体として略円筒形状を有している。そして、このシリンダ９０は、内燃機関として使用された際に、その内部を軸方向に沿って往復摺動動作するピストンの焼き付きを防止するため、図１（Ａ）に示すように、ボア内面９１（内壁面）に複数の凹部９２が形成されて油溜まりが設けられている。この各凹部９２は、図１（Ｂ）及び（Ｃ）に示すように、所定の径ｗと深さｈで形成されている。この凹部９２の径ｗが広過ぎたり当該深さｈが浅過ぎると、油溜まりとしての十分な焼付防止機能を具備することが出来ない。なお、図１（Ａ）は、ボア内面９１の様子を明瞭とするために、シリンダ９０の中心側からボア内面９１を見た図となっている。

図２は本発明の実施形態に係るレーザ加工装置の全体を示す概略図、図３は本発明の実施形態に係るレーザ加工装置のレーザ発振器及び集光ヘッドの拡大図、図４（Ａ）は図３のIV-IV線に沿ったレーザ光の断面図、図４（Ｂ）は図４（Ａ）に示すレーザ光のエネルギー密度分布を示すグラフ、図５（Ａ）は図３のV-V線に沿ったレーザ光の断面図、図５（Ｂ）は図５（Ａ）に示すレーザ光のエネルギー密度分布を示すグラフである。

本発明の実施形態に係るレーザ加工装置１について説明すると、このレーザ加工装置１は、レーザ加工によりシリンダ９０のボア内面９１に複数の凹部９２を形成するための装置であり、図２に示すように、レーザ光Ｌを発振するレーザ発振器１０（レーザ発振手段）と、このレーザ発振器１０から発振されたレーザ光Ｌを集光する集光レンズ３１を有する集光ヘッド３０（集光手段）と、当該集光ヘッド３０をボア内面９１に対して相対的に移動及び回転駆動させる移動装置４０（移動手段）と、を備えている。

このレーザ加工装置１のレーザ発振器１０は、ボア内面９１をレーザ加工するための、例えば、波長１．０６μｍのＹＡＧレーザ光等の加工用レーザ光Ｌを発振可能な発振器である。なお、本発明においては特にＹＡＧレーザに限定されず、レーザ発振手段から発振される加工用レーザ光として、例えば、ＣＯ_２レーザやアルゴンレーザ、エキシマレーザ、ルビーレーザ、ガラスレーザ、ＣＯレーザ、沃素レーザ等を用いても良い。

このレーザ発振器１０は、図３に示すように、レーザ物質であるＹＡＧロッド１１と、レーザ光を増幅させる光共振器１２と、ＹＡＧロッド１１に励起光を照射するダイオード１３と、レーザ光Ｌをパルス発振させるためのＱスイッチ１４と、を有している。光共振器１２は、光を透過しない全反射鏡１２１と、一部の光を透過する部分反射鏡１２２と、を有しており、この一対の反射鏡１２１、１２２は、ＹＡＧロッド１１を間に挟むように対向して配置されている。

このレーザ発振器１０は、一般的なＹＡＧレーザ光発振器と同様に、ダイオード１３を通電することによりＹＡＧロッド１１に励起（ポンピング）光を照射し、これにより反転分布状態となったＹＡＧロッド１１から誘電放出光を取り出し、当該誘電放出光を光共振器１２で往復させて増幅し、所定エネルギーに達したら光共振器１２の部分反射鏡１２２から透過することにより、レーザ光Ｌが発振することが可能となっている。

さらに、本実施形態に係るレーザ発振器１０は、図３に示すように、光共振器１２で増幅されるレーザ光Ｌの中心部分を透過可能な開口部１５１が形成されたアパーチャ１５を有している。このアパーチャ１５は、ＹＡＧロッド１１と、光共振器１２の部分反射鏡１２２との間に配置されており、このアパーチャ１５の開口部１５１の中心が、光共振器１２で増幅されるレーザ光の軸心に実質的に一致するように配置されている。このアパーチャ１５の開口部１５１は、約１．０ｍｍ程度の直径を有しており、レーザ光の中心部分のみを透過させることが可能となっており、即ち、レーザ光の高いエネルギー密度［Ｊ／ｃｍ^２］の部分のみを透過することが可能となっている。

従って、このアパーチャ１５を透過する前のレーザ光は、図４（Ａ）及び（Ｂ）に示すようなビーム径が比較的大きく、その裾野が広がったエネルギー密度分布を有しているのに対し、アパーチャ１５を透過したレーザ光は、図５（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、ビーム径が小さくなると共に、アパーチャ１５自体による回折作用も奏して、非常に高いエネルギー密度で当該ビーム径全体に亘って分布していると共に、裾野部分の立ち上がりが極めて鋭くなっている。

このようなレーザ光Ｌがレーザ発振器１０から平均出力４０Ｗ、繰り返し数３５ｋＨｚのパルス波として発振され、第１のミラー２０（第１の反射手段）で反射されて集光ヘッド３０内へと導かれる。この第１のミラー２０は、図２に示すように、一方の面でレーザ光Ｌを全反射することが可能となっている。

レーザ加工装置１の集光ヘッド３０は、図２に示すように、シリンダ９０のボア径より小さな直径を有する略円筒体であり、当該シリンダ９０のボア内に入り込むことが可能となっている。この集光ヘッド３０の内部には、集光ヘッド３０内に進入したレーザ光Ｌをを発散させた後に平行状態で集光レンズ３２に導くエキスパンダ３１と、当該エキスパンダ３１により平行状態で導かれたレーザ光Ｌを集光させる集光レンズ３２と、当該集光レンズ３２で集光されたレーザ光Ｌをシリンダ９０のボア内面９１に向かって反射させる第２のミラー３３（第２の反射手段）と、が設けられており、エキスパンダ３１、集光レンズ３２、及び、第２のミラー３３の順序でレーザ光Ｌの光軸上に位置するようにそれぞれ配置されている。

この集光ヘッド３０内に配置されたエキスパンダ３１は、レーザ光Ｌを発散光線束とする発散レンズ３１１と、当該発散されたレーザ光Ｌを平行光線束とするコリメータレンズ３１２と、を有している。また、この集光ヘッド３０内に配置された集光レンズ３２は、例えば８０ｍｍの焦点距離を有しており、エキスパンダ３１の倍率は、シリンダ９０のボア内面９１に照射されるレーザ光Ｌのスポット径が、アパーチャ１５を設けない場合と実質的に同一となるように設定されている。

そして、この集光ヘッド３０は、レーザ発振器１０から発振され第１のミラー２０を介して進入したレーザ光Ｌを、エキスパンダ３１の発散レンズ３１１で発散して所定ビーム径の発散光線束とし、当該発散されたビーム径をコリメータレンズ３１２で維持した状態で平行光線束として集光レンズ３２に導き、第２のミラー３３で反射して、シリンダ９０のボア内面９１にレーザ光Ｌを照射することが可能となっている。

この集光ヘッド３０は、図２に示すように、支持部４１を介して、移動装置４０に支持されている。この移動装置４０は制御装置５０に接続されており、当該制御装置５０の制御指令に基づいて、移動装置４０のアクチュエータ（不図示）が駆動することにより、当該集光ヘッド３０をＸ−Ｙ−Ｚ軸方向（図２参照）に移動させることが可能となっていると共に、Ｚ軸を中心としたθ回転をさせることが可能となっている。

次に作用について説明する。

図６（Ａ）及び（Ｂ）はシリンダのボア内面に照射されたレーザ光のエネルギー密度分布とスポット径との関係を示すグラフであり、図６（Ａ）は本発明の実施形態に係るレーザ加工装置より照射されたレーザ光のエネルギー密度分布を示すグラフ、図６（Ｂ）は従来のレーザ加工装置により照射されたレーザ光のエネルギー密度分布を示すグラフ、図７（Ａ）及び（Ｂ）はシリンダのボア内面に形成された凹部を示す断面図であり、図７（Ａ）は本発明の実施形態に係るレーザ加工装置により加工された凹部を示す断面図であり、図７（Ｂ）は従来のレーザ加工装置により加工された凹部を示す断面図である。

先ず、レーザ発振器１０において、ダイオード１３により励起されたＹＡＧロッド１１が反転分布状態となって誘電放出光が取り出され、当該誘電放出光が光共振器１２で増幅され、アパーチャ１５を介して高いエネルギー密度部分のみから成るレーザ光Ｌが発振される。

このように発振されたレーザ光Ｌは、第１のミラー２０で反射されて集光ヘッド３０内に進入する。当該集光ヘッド３０内に進入したレーザ光Ｌは、エキスパンダ３１の発散レンズ３１１で所定ビーム径に発散され、当該発散されたビーム径がコリメータレンズ３１２で平行にされて集光レンズ３２に導かれ、集光レンズ３２で集光された後に、第２のミラー３３で反射されて、シリンダ９０のボア内面９１に照射される。

この照射に際して、本実施形態に係るレーザ加工装置１では、移動装置４０が駆動して集光ヘッド３０を移動させて、ボア内面９１に照射されるレーザ光Ｌのスポット径Ｓ_１（図６（Ａ）参照）が、凹部９２の径ｗ_１（図７（Ａ）参照）と実質的に同一の大きさとなるように（Ｓ_１＝ｗ_１）、集光レンズ３２からボア内面９１迄の距離が調整されている。この凹部９２の径ｗ_１としては、例えば、６０〜８０μｍである。また、本実施形態では、ボア内面９１に照射されたレーザ光Ｌのスポット径Ｓ_１には、スレッシュホールド（シリンダ９０の材料を蒸発させ得る最低エネルギー密度）未満の部分も含む。このスレッシュホールドの値は、シリンダ９０を構成する金属材料の特性に依存する。これに対し、アパーチャ１５が具備されていない従来のレーザ加工装置では、図６（Ｂ）及び図７（Ｂ）に示すように、レーザ光のエネルギー密度が十分に高くないため、シリンダ９０のボア内面９１に照射されるレーザ光のスレッシュホールド以上のエネルギー密度分布の部分が、凹部９２の径ｗ_０に対応するように、即ち、スポット径Ｓ_０が凹部９２の径ｗ_０より大きくなるようにシリンダ９０のボア内面９１にレーザ光が照射される。なお、図７（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、凹部９２の径ｗ_０、ｗ_１は何れも、当該凹部９２の周縁に形成された盛上部９３（後述）を含まない径である。

本実施形態に係るレーザ加工装置１では、レーザ発振器１０のアパーチャ１５により、レーザ光の中心部から所定径内の部分（本実施形態では直径１．０ｍｍ内の部分）のみを透過させて出力し、第１のミラー２０及びエキスパンダ３１を介して集光レンズ３２で集光し、第２のミラー３３で反射させることにより、エネルギー密度の高いレーザ光Ｌをボア内面９１に照射することが可能となっている。このように照射されたレーザ光Ｌは、アパーチャ１５を具備していない従来のレーザ加工装置により照射されたレーザ光（図６（Ｂ）参照）と比較して、図６（Ａ）に示すように、スポット全体に亘ってエネルギー密度が高くなっていると共にその裾野部分のエネルギー密度の立ち上がりが極めて鋭くなっており、スレッシュホールド未満のエネルギー密度のみ分布する部分が著しく減少している。これにより、１パルス当たりの加工深さを深くすることが可能となるので、少ないパルス発振回数で所望する凹部深さを確保することが可能となり、加工時間の短縮化を図ることが可能となっている。

また、本実施形態に係るレーザ加工装置１では、エネルギー密度の高いレーザ光Ｌを照射することが可能であることに伴って、図６（Ａ）及び図７（Ａ）に示すように、凹部９２の径ｗ_１と実質的に同一のスポット径Ｓ_１となるようにレーザ光Ｌをシリンダ９０のボア内面９１に照射して、所望する凹部の形状を確保することが出来るので、シリンダ９０のボア内面９１の高精度な可能が可能となっている。

さらに、レーザ加工による凹部形成では、低エネルギー密度のレーザ光を用いると、図７（Ｂ）に示すように、レーザ加工の際にシリンダ９０を構成する金属材料の気化が不十分となり、溶融した金属材料により凹部９２の周縁に盛上部９３が多く形成される。これに対し、本実施形態に係るレーザ加工装置１では、高エネルギー密度のレーザ光Ｌを照射可能であるので、レーザ加工にてシリンダ９０の金属材料を十分に気化させることが出来、図７（Ａ）に示すように、凹部９２の周縁に少量の盛上部９３しか形成されない。レーザ加工による凹部形成の後に、例えばボア内面９１全面を仕上げ加工する等してこの盛上部９３を除去する必要があるが、本実施形態に係るレーザ加工装置１では、盛上部９３が少ないことから当該除去時間が大幅に短縮されると共に、当該除去工程で用いられる仕上加工刃等の工具の長寿命化を図ることが可能となっている。

また、レーザ光のビーム径を小さくした場合に、従来と同様の大きさのスポット径を確保するには、従来より焦点距離の短い集光レンズを用いる必要があり、焦点深度（図３参照）が浅くなって高精度な加工を確保し難くなる傾向がある。これに対し、本実施形態に係るレーザ加工装置１では、レーザ発振器１０と集光レンズ３２との間にエキスパンダ３１を設けることにより、従来と同様の焦点距離の集光レンズ３２を用いて従来と同様の焦点深度を確保することが可能となっており、アパーチャ１５を設けることにより生じる弊害を是正している。

なお、以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記の実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。

図１（Ａ）は、本発明の実施形態における被加工物であるシリンダのボア内面を示す斜視図であり、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）のボア内面に形成された凹部の拡大正面図であり、図１（Ｃ）は、図１（Ｂ）のIC-IC線に沿った凹部の断面図である。図２は、本発明の実施形態に係るレーザ加工装置の全体を示す概略図である。図３は、本発明の実施形態に係るレーザ加工装置のレーザ発振器及び集光ヘッドの拡大図である。図４（Ａ）は、図３のIV-IV線に沿ったレーザ光の断面図であり、図４（Ｂ）は、図４（Ａ）に示すレーザ光のエネルギー密度分布を示すグラフである。図５（Ａ）は、図３のV-V線に沿ったレーザ光の断面図であり、図５（Ｂ）は、図５（Ａ）に示すレーザ光のエネルギー密度分布を示すグラフである。図６（Ａ）及び（Ｂ）は、シリンダのボア内面に照射されたレーザ光のエネルギー密度分布とスポット径との関係を示すグラフであり、図６（Ａ）は本発明の実施形態に係るレーザ加工装置により照射されたレーザ光のエネルギー密度分布を示すグラフであり、図６（Ｂ）は従来のレーザ加工装置により照射されたレーザ光のエネルギー密度分布を示すグラフである。図７（Ａ）及び（Ｂ）は、シリンダのボア内面に形成された凹部を示す断面図であり、図７（Ａ）は本発明の実施形態に係るレーザ加工装置により加工された凹部を示す断面図であり、図７（Ｂ）は従来のレーザ加工装置により加工された凹部を示す断面図である。

符号の説明

１…レーザ加工装置
１０…レーザ発振器
１１…ＹＡＧロッド
１２…光共振器
１２１…全反射鏡
１２２…出力鏡
１３…ダイオード
１４…Ｑスイッチ
１５…アパーチャ
１５１…開口部
２０…第１のミラー
３０…集光ヘッド
３１…エキスパンダ
３１１…発散レンズ
３１２…コリメータレンズ
３２…集光レンズ
３３…第２のミラー
４０…移動装置
５０…制御装置
９０…シリンダ
９１…ボア内面
９２…凹部
９３…盛上部

Claims

筒状体の内壁面に凹部を形成するためのレーザ加工装置であって、
レーザ光を発振するレーザ発振手段と、
前記レーザ発振手段から発振された前記レーザ光を集光する集光レンズを有する集光手段と、を少なくとも備え、
前記レーザ発振手段は、前記レーザ光の中心部から所定径内の部分のみを透過可能な開口部が形成されたアパーチャを有し、
前記レーザ発振手段から発振され前記集光レンズにより集光された前記レーザ光を、当該レーザ光のスポット径が前記凹部の径と実質的に同一となるように、前記筒状体の内壁面に照射するレーザ加工装置。
前記レーザ光のスポット径は、前記筒状体を構成する材料を蒸発させ得る最低エネルギー密度であるスレッシュホールド未満の部分を含む請求項１記載のレーザ加工装置。
前記レーザ発振手段から発振された前記レーザ光を発散光線束とし、さらに当該発散されたレーザ光を平行光線束とした状態で前記集光レンズに導くエキスパンダをさらに備えた請求項１又は２記載のレーザ加工装置。
前記レーザ発振手段は、レーザ物質と、前記レーザ物質を間に挟むように配置された一対の反射鏡から成る光共振器と、を少なくとも有し、
前記アパーチャは、前記レーザ物質と前記光共振器の一方の反射鏡との間に設けられている請求項１〜３の何れかに記載のレーザ加工装置。
前記レーザ発振手段から発振された前記レーザ光を反射させて前記集光手段に導く第１の反射手段をさらに備えた請求項１〜４の何れかに記載のレーザ加工装置。
前記集光手段は、前記集光レンズにより集光されたレーザ光を前記筒状体の内壁面に反射させる第２の反射手段をさらに有する請求項１〜５の何れかに記載のレーザ加工装置。
前記集光手段を前記筒状体に対して相対的に移動及び回転させる移動手段をさらに備えた請求項１〜６の何れかに記載のレーザ加工装置。