JP2007180385A - レーザ焼入工具 - Google Patents

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Abstract

【課題】レーザ出力の損失が少ないレーザ焼入工具を提供する。
【解決手段】レーザ焼入工具１００は、半導体レーザスタック１２０の出射ビームＬＢ１を集光光学系レンズ１３４で集光し、発散光学系レンズ１４２で平光ビームＬＢ３を形成する。第１の折返しミラー１６０で折返されたレーザビームＬＢ４は横断面が角形の光導波路１５０を通過する。再集光光学系レンズ１７０で集光されたレーザビームＬＢ５は、ノズル１９０から出射され、ワークを焼入れする。角形光導波路１５０内でのレーザビームＬＢ４の反射回数は少なくてすみ、レーザ出力の損失は少なくなる。
【選択図】図７

Description

本発明は半導体レーザを利用した焼入工具に関する。
例えば、特許文献１は、本出願人が提案したレーザ焼入れ装置を開示している。また、特許文献２は、工作機械の主軸に着脱自在に装備されるレーザ焼入工具を開示している。
これらのレーザ焼入工具にあっては、レーザ発光源である半導体レーザバーや半導体レーザスタックからのレーザ光は、光ファイバーや導波路により工具先端のトーチまで伝送される。
特開２００３−１３８３１４号公報 特開２００５−２３８２５３号公報
従来のレーザ光の導波路１０は、図１０に示すように内面１２が円筒面で形成されている。レーザ光ＬＢがこの円筒面１２の導波路を進行する際に、光が円筒面に沿って回転していくために、反射回数が多くなる。導波路内面の反射率は１．０以下であるので、反射毎に効率は低下し、レーザ出力の低下の原因となる。
本発明者は、光導波路の断面形状がレーザ出力効率に与える影響を種々実験した結果、図９に示すような内面が平面２２で構成された角形断面の光導波路２０が反射回数が少なく、出力効率の高い光導波路となることを確認した。
本発明の目的は、上述した知見に基いたレーザ焼入工具を提供するものである。
上記目的を達成するために、本発明のレーザ焼入工具は、レーザ光を出射する半導体をマトリックス状に配置した半導体レーザスタックと、半導体レーザスタックから出射されたレーザビームを集光する集光光学系と、集光光学系で集光されたレーザビームの軸線が平行になるように発散する発散光学系と、発散光学系から出射されたレーザビームを導波する横断面形状が角形である角形光導波路と、角形光導波路を通過したレーザビームを再集光する再集光光学系と、再集光されたレーザビームをワークに向けて出射する光導波路ノズルを備える。
また、角形光導波路の入口部に設けられる第１の折返しミラーと、再集光光学系と光導波路ノズルとの間に設けられる第２の折返しミラーを備えるものである。
また、集光光学系のレンズホルダーと、発散光学系のレンズホルダーと、第１の折返しミラーと、角形光導波路と、再集光光学系レンズのホルダーと、第２の折返しミラーと、光導波路ノズルに設けられて冷却水が供給される冷却水チャネルを備え、レーザビームが反射されるミラー面は増反射コーティング層を備えるものである。
以上の構成を備えることにより、本発明のレーザ焼入工具は、半導体レーザスタックからの出力を損失が少ない状態でノズルまで導くことができる。
図１は、本発明のレーザ焼入工具の斜視図、図２は本発明のレーザ焼入工具の全体構成を示す断面側面図、図３は図２の上面図である。
全体を符号１００で示すレーザ焼入工具は、ベース１１０上に載置される半導体レーザスタック１２０を備える。半導体レーザスタック１２０は電源接続端子１２２を有し、図示しない電源に接続される。
半導体レーザスタック１２０の出力は光通路１３２を有するホルダー１３０内に投入される。ホルダー１３０の光通路１３２内には集光光学系（レンズ）１３４が装備され、半導体レーザスタック１２０の出力光の束を集光する。
集光されたレーザビームはホルダー１４０内の発散光学系レンズ１４２へ入力され、ビームの軸線が平行になるように発散される。発散したレーザ光は角形光導波路１５０の一端部にとりつけた第１の折返しミラー１６０へ送られる。折り返しミラー１６０で角形光導波路１５０の軸線方向に折返されたレーザ光は角形光導波路１５０の内面の反射面１５２に反射されつつ進行し、ホルダー１７２内の再集光光学系レンズ１７０に入射される。
この角形光導波路１５０を通過する間に、従来の断面丸形の光導波路に比べて反射回数は低減され、減衰も少なくて済む。
再集光光学系レンズ１７０で再集光されたレーザビームは第２の折返しミラー１８０で軸線を９０度変更され、光導波路ノズル１９０から出射され、図示しないワークの表面に焼入処理を施す。
レーザ焼入工具１００は、内部を通過するレーザビームを吸収して加熱される。また、レーザ焼入工具により焼入処理されるワーク側からの反射熱を受けて外部加熱される。
そこで、本発明のレーザ焼入工具１００は昇温を防止する冷却チャネルを備える。
図４は、レーザ焼入工具１００に設けられる冷却チャネルの断面側面図、図５は、図４の上面図である。
集光光学系レンズ１３４のホルダー１３０は冷却水が通過するチャネル１３６を有し、カップリング２０２を介して冷却水の供給、排出用のパイプ２００に連結される。
発散光学系レンズ１４２のホルダー１４０もチャネル１４４を有し、チャネル１４４は第１の折返しミラー１６０のチャネル１６４を介して角形光導波路１５０のチャネル１５４に連通する。再集光光学系レンズ１７０のホルダー１７２はチャネル１７４を有する。第２の折返しミラー１８０もチャネル１８４を有し、光導波路ノズル１９０もチャネル１９４を有する。
パイプ２００を介して図示しない冷却水供給源から送られる冷却水を各チャネルを通して、レーザ焼入工具１００全体に循環させることにより、レーザ焼入工具１００を効果的に冷却することができる。
図６は、レーザ焼入工具１００の光学系レンズ１３４，１４２，１７０と折返しミラー１６０，１８０のミラー面１６０Ｍ，１８０Ｍ、角形光導波路１５０の角形平面ミラー面１５０Ｍ及び光導波路ノズル１９０の内面の円錐ミラー面１９０Ｍのレイアウトを示す説明図である。
反射率を高めるために、各ミラー面の表面には増反射コーティングが施される。増反射コーティングは、例えば金メッキが採用される。
図７は、本発明のレーザ焼入工具１００のレーザ光路を示す断面側面図、図８は図７の上面図である。
半導体レーザスタック１２０から出射されたレーザビームＬＢ１は、集光光学系レンズ１３４で集光され、レーザビームＬＢ２となって発散光学系レンズ１４２に入光する。
発散光学系レンズ１４２を出たレーザビームＬＢ３は、ほぼ平行光として折返しミラー１６０で直角に折り返され、レーザビームＬＢ４として角形光導波路１５０を通過する。角形光導波路１５０内を通過するレーザビームＬＢ４は、先に説明したように、反射回数は少なく、損失は少ない。
発散光学系レンズを角形光導波路１５０の入口に設け、また、このレンズの曲率を適宜に設計することによって、導入光の軸線を角形光導波路１５０の軸線に可能な限りに平行にすることができる。
この手段により、角形光導波路１５０内でのレーザビームの反射回数を低減させて、エネルギー損失を少なくすることができる。
また、角形光導波路１５０の寸法は可能な限りに大きくすることで、通過するレーザビームの反射回数を低減させることができる。
角形光導波路１５０を通過したレーザビームは、再集光光学系レンズ１７０で集光され、折返しミラー１８０で９０度折り曲げられる。
光導波路ノズル１９０内でレーザビームＬＢ５は絞られ、レーザビームＬＢ６として出力される。このレーザビームＬＢ６は図示しないワークの表面に焼入れを行う。
本発明のレーザ焼入工具１００にあっては、半導体レーザスタック１２０からのレーザビームを途中の損失が少ない状態で光導波路ノズル１９０から出力させることができ、効率の良い焼入れが達成される。
なお、上述した実施例にあっては、光導波路ノズル１９０の先端穴の形状を丸形で説明したが、ワークの形状や焼入れ部の形状等に対応して、三角形、四角形、多角形曲面の組合せ等適宜に設計できる。
さらに、ノズルの軸線も直線以外に適宜に折り曲げることもできる。
本発明のレーザ焼入工具の斜視図。 本発明のレーザ焼入工具の断面側面図。 図２の上面図。 本発明のレーザ焼入工具の冷却水チャネルの断面側面図。 図４の上面図。 本発明のレーザ焼入工具のミラーの配置を示す断面側面図。 本発明のレーザ焼入工具のレーザビームの流れを示す断面側面図。 図７の上面図。 本発明の角形光導波路の作用を示す説明図。 従来の光導波路の作用を示す説明図。
符号の説明
１００ レーザ焼入工具
１１０ ベース
１２０ 半導体レーザスタック
１３０ 集光光学系レンズホルダー
１３４ 集光光学系レンズ
１４０ 発散光学系レンズホルダー
１４２ 発散光学系レンズ
１５０ 角形光導波路
１６０ 第１の折返しミラー
１７０ 再集光光学系レンズ
１８０ 第２の折返しミラー
１９０ 光導波路ノズル

Claims (4)

  1. レーザ光を出射する半導体をマトリックス状に配置した半導体レーザスタックと、半導体レーザスタックから出射されたレーザビームを集光する集光光学系と、集光光学系で集光されたレーザビームの軸線が平行になるように発散する発散光学系と、発散光学系から出射されたレーザビームを導波する横断面形状が角形である角形光導波路と、角形光導波路を通過したレーザビームを再集光する再集光光学系と、再集光されたレーザビームをワークに向けて出射する光導波路ノズルを備えるレーザ焼入工具。
  2. 角形光導波路の入口部に設けられる第１の折返しミラーと、再集光光学系と光導波路ノズルとの間に設けられる第２の折返しミラーを備える請求項１記載のレーザ焼入工具。
  3. 集光光学系のレンズホルダーと、発散光学系のレンズホルダーと、第１の折返しミラーと、角形光導波路と、再集光光学系レンズのホルダーと、第２の折返しミラーと、光導波路ノズルに設けられて冷却水が供給される冷却水チャネルを備える請求項１記載のレーザ焼入工具。
  4. レーザビームが反射されるミラー面は増反射コーティング層を備える請求項１記載のレーザ焼入工具。
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