JP2014133242A - レーザ加工方法及びレーザ加工装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】湿式多板クラッチの摩擦板に凹部や溝を形成するに際して、加工端部に毛羽が立つことがなく、繊維の抜けも生じにくい加工技術を提供する。
【解決手段】レーザ加工装置１２は、摩擦板を載置する加工テーブル４０と、加工テーブル４０を上下動させる上下動駆動機構と、加工テーブル４０を回転させる回転駆動機構と、ピコ秒レーザ発振器１２、レーザ発振器１２から出射されたレーザビームＬの摩擦板表面に対する入射角度を調整する入射角度調整用光学系２８、レーザビームＬの摩擦板表面における回転半径を調整する回転半径調整用光学系３２、及び集光光学系３４を有するビームローテータ１８と、ガルバノスキャナ３６及びプロジェクションレンズ３８を有する加工ヘッド２０と、加工ヘッド２０を上下動させる上下動駆動機構を備え、ビームローテータ１８の集光光学系が無収差レンズよりなる。
【選択図】図１
【解決手段】レーザ加工装置１２は、摩擦板を載置する加工テーブル４０と、加工テーブル４０を上下動させる上下動駆動機構と、加工テーブル４０を回転させる回転駆動機構と、ピコ秒レーザ発振器１２、レーザ発振器１２から出射されたレーザビームＬの摩擦板表面に対する入射角度を調整する入射角度調整用光学系２８、レーザビームＬの摩擦板表面における回転半径を調整する回転半径調整用光学系３２、及び集光光学系３４を有するビームローテータ１８と、ガルバノスキャナ３６及びプロジェクションレンズ３８を有する加工ヘッド２０と、加工ヘッド２０を上下動させる上下動駆動機構を備え、ビームローテータ１８の集光光学系が無収差レンズよりなる。
【選択図】図１
Description
この発明は、レーザ加工方法及びレーザ加工装置に係り、特に、レーザを用いて湿式多板クラッチの摩擦板に凹部を形成する技術に関する。
自動車の自動変速機に用いられる湿式多板クラッチは、それぞれリング形状をした複数枚の摩擦板と鋼板とを交互に重ね合わせた構造を備えており、油圧で各摩擦板と鋼板を圧接することにより、トルクの伝達を実現する装置である。
このような構造の湿式多板クラッチにおいては、圧接による摩擦熱を吸収すると共に、摩擦板の摩耗を防止する目的で、摩擦板と鋼板との間に潤滑油が供給されている。
また、この潤滑油の摩擦板の表面に対する供給量を拡大する目的で、摩擦板の表面に微小な凹凸や溝を形成することが行われている（特許文献１及び２参照）。
このような構造の湿式多板クラッチにおいては、圧接による摩擦熱を吸収すると共に、摩擦板の摩耗を防止する目的で、摩擦板と鋼板との間に潤滑油が供給されている。
また、この潤滑油の摩擦板の表面に対する供給量を拡大する目的で、摩擦板の表面に微小な凹凸や溝を形成することが行われている（特許文献１及び２参照）。
しかしながら、摩擦板は一般にケプラー（登録商標）等の繊維素材よりなるため、砥石を用いた切削加工やプレス加工等によって凹部や溝を形成する際には、エッジ部分や底面に毛羽が立ったり、抜け出た繊維が潤滑油に混入したりして、潤滑油の流通が阻害されるという問題が生じていた。
この発明は、このような問題を解決するために案出されたものであり、加工に際して摩擦板に毛羽が立つことがなく、繊維の抜けも生じにくい加工技術を提供することを目的としている。
上記の目的を達成するため、この発明に係るレーザ加工方法は、レーザ加工装置から出射されたレーザビームを、加工対象物である湿式多板クラッチの摩擦板に導き、その表面に潤滑油収納用の凹部を形成するレーザ加工方法であって、上記レーザ加工装置が、上記摩擦板を載置する加工テーブルと、この加工テーブルを必要量上下動させる上下動駆動機構と、この加工テーブルを必要量回転させる回転駆動機構と、極短パルスレーザ発振器（例えばピコ秒レーザ発振器）と、このレーザ発振器から出射されたレーザビームの上記摩擦板表面に対する入射角度を調整する入射角度調整用光学系、上記レーザビームの上記摩擦板表面における回転半径を調整する回転半径調整用光学系、及び集光光学系を有するビームローテータと、ガルバノスキャナ及びプロジェクションレンズを有する加工ヘッドと、この加工ヘッドを必要量上下動させる上下動駆動機構とを備え、さらに、上記ビームローテータの集光光学系が無収差レンズよりなることを特徴としている。
また、この発明に係るレーザ加工装置は、湿式多板クラッチの摩擦板の表面に、潤滑油収納用の凹部を形成するためのレーザ加工装置であって、上記摩擦板を載置する加工テーブルと、この加工テーブルを必要量上下動させる上下動駆動機構と、この加工テーブルを必要量回転させる回転駆動機構と、極短パルスレーザ発振器（例えばピコ秒レーザ発振器）と、このレーザ発振器から出射されたレーザビームの上記摩擦板表面に対する入射角度を調整する入射角度調整用光学系、上記レーザビームの上記摩擦板表面における回転半径を調整する回転半径調整用光学系、及び集光光学系を有するビームローテータと、ガルバノスキャナ及びプロジェクションレンズを有する加工ヘッドと、この加工ヘッドを必要量上下動させる上下動駆動機構とを備え、さらに、上記ビームローテータの集光光学系が無収差レンズよりなることを特徴としている。
この発明にあっては、レーザ発振器としてピコ秒レーザ発振器等の極短パルスレーザ発振器が用いられると共に、レーザビームの摩擦板表面に対する回転照射がビームローテータによって実現され、しかも集光光学系として無収差レンズが採用されているため、加工対象物が繊維素材よりなる摩擦板であっても、毛羽立ちや繊維の抜けを抑えた上で、超微細な凹部（溝部）形成加工を高精度で実施可能となる。
また、加工ヘッド側が上下動するのみならず、ワークを載置した加工テーブル側も上下動する仕組みを備えているため、両者の動きを同期させることで、垂直面と傾斜面が混在した四角錐台形状の凹部形成など、極めて複雑な形状の３次元加工を高精度で実現することも可能となる。
また、加工ヘッド側が上下動するのみならず、ワークを載置した加工テーブル側も上下動する仕組みを備えているため、両者の動きを同期させることで、垂直面と傾斜面が混在した四角錐台形状の凹部形成など、極めて複雑な形状の３次元加工を高精度で実現することも可能となる。
図１は、この発明に係るレーザ加工装置10の全体構成を示す模式図であり、レーザ発振器12と、波長変換器14と、ビームエキスパンダ16と、ビームローテータ18と、加工ヘッド20と、加工ステージ22と、第１の反射ミラー24a〜第５の反射ミラー24eを備えている。
レーザ発振器12は、高出力ピコ秒レーザ発振器よりなり、基本波の他に、波長変換器14をレーザ発振器12の外部に設置することで２倍波のレーザに変換することができる。
以下に、レーザ発振器12の特性を例示する。
(1) レーザ波長
基本波：１０３０ｎｍ
２倍波： ５１５ｎｍ（波長変換器使用時）
(2) レーザ出力
基本波：５０Ｗ
２倍波：３０Ｗ（波長変換器使用時）
(3) パルスエネルギ
基本波：２５０μＪ／Ｐ
２倍波：１２５μＪ／Ｐ（波長変換器使用時）
(4) 最大発振繰り返し数：２００ｋＨｚ
(5) パルス幅：８〜１０ｐｓ
なお、レーザ発振器12の特性は、上記に限定されるものではない。また、レーザ発振器12として、フェムト秒レーザ発振器を用いることもできる。
以下に、レーザ発振器12の特性を例示する。
(1) レーザ波長
基本波：１０３０ｎｍ
２倍波： ５１５ｎｍ（波長変換器使用時）
(2) レーザ出力
基本波：５０Ｗ
２倍波：３０Ｗ（波長変換器使用時）
(3) パルスエネルギ
基本波：２５０μＪ／Ｐ
２倍波：１２５μＪ／Ｐ（波長変換器使用時）
(4) 最大発振繰り返し数：２００ｋＨｚ
(5) パルス幅：８〜１０ｐｓ
なお、レーザ発振器12の特性は、上記に限定されるものではない。また、レーザ発振器12として、フェムト秒レーザ発振器を用いることもできる。
ビームローテータ18は、一対のウェッジプリズム26a, 26bを備えた入射角度調整用光学系28と、一対のウェッジプリズム30a, 30bを備えた回転半径調整用光学系32と、集光光学系34を備えている。
入射角度調整用光学系28の各ウェッジプリズム26a, 26bと、回転半径調整用光学系32の各ウェッジプリズム30a, 30bは、それぞれ図示しない回転軸に装着され、図示しないサーボモータを介して高速回転される。この結果、ワーク表面におけるレーザビームの照射スポットを、円形軌道に沿って高速移動させることが可能となる。
また、入射角度調整用光学系28におけるウェッジプリズム26a, 26bのウェッジ角を適宜調整することにより、レーザビームのワークに対する入射角度を加減することが可能となる。
さらに、回転半径調整用光学系32におけるウェッジプリズム30a, 30bのウェッジ角を適宜調整することにより、レーザビームのワークにおける回転半径を加減することが可能となる。
集光光学系34としては、無収差光学部品であるグラディウムレンズが用いられている。
すなわち、市場に多く出回っている集光光学系は、複数のレンズを組合わせて各収差をとるように設計されているが、ビームローテータを用いる場合、複数レンズを組合わせたレンズを使用すると、設計値通りに回転半径、傾きを得ることが難しくなってしまう。
これに対し、グラディウムレンズは、屈折率の異なるガラス素材を高温で溶融接合し、１枚の多層ガラス基材とし、これを非球面に仕上られた型で整形することでレンズにしたものであり、１枚で収差のないレンズを得ることができる。
すなわち、市場に多く出回っている集光光学系は、複数のレンズを組合わせて各収差をとるように設計されているが、ビームローテータを用いる場合、複数レンズを組合わせたレンズを使用すると、設計値通りに回転半径、傾きを得ることが難しくなってしまう。
これに対し、グラディウムレンズは、屈折率の異なるガラス素材を高温で溶融接合し、１枚の多層ガラス基材とし、これを非球面に仕上られた型で整形することでレンズにしたものであり、１枚で収差のないレンズを得ることができる。
加工ヘッド20は、レーザビームをＸ−Ｙ方向に偏向するためのガルバノスキャナ36と、プロジェクションレンズ38を備えており、図示しないスライド機構により、上下方向に必要量移動可能となされている。
加工ステージ22は、ワークαを載置した加工テーブル40をＸ−Ｙ方向に必要量移動させるＸＹ移動機構と、加工テーブル40を上下方向に必要量移動させるＺ軸移動機構と、加工テーブル40を回転軸42を中心に左右に必要量回転させるθ軸回転機構を備えている。
レーザ発振器12からパルス発振されたレーザビームＬは、必要に応じて波長変換器14において２倍波に波長変換された後、第１の反射ミラー24aで反射され、ビームエキスパンダ16に導かれる。
そして、このビームエキスパンダ16によってビーム径が縮小されたレーザビームＬは、第２の反射ミラー24bで反射されてビームローテータ18に入射し、必要な入射角度及び回転半径に偏向される。
そして、このビームエキスパンダ16によってビーム径が縮小されたレーザビームＬは、第２の反射ミラー24bで反射されてビームローテータ18に入射し、必要な入射角度及び回転半径に偏向される。
このビームローテータ18から出射されたレーザビームＬは、第３の反射ミラー24c〜第５の反射ミラー24eで反射され、加工ヘッド20のガルバノスキャナ36に到達する。
このガルバノスキャナ36によって必要方向に必要量偏向されたレーザビームＬは、プロジェクションレンズ38を介してワークαの表面に結像される。
このガルバノスキャナ36によって必要方向に必要量偏向されたレーザビームＬは、プロジェクションレンズ38を介してワークαの表面に結像される。
このレーザ加工装置10は、図示は省略したが、専用の制御プログラムを搭載したＰＣ等の制御装置を備えており、この制御装置からの制御信号に従って、レーザ発振器12からのレーザビームの出射やビームローテータ18の回転、ガルバノスキャナ36の角度調整、加工ヘッド20の上下移動、加工テーブル40のＸＹ方向への移動、上下移動、回転等が制御される。
このレーザ加工装置10は、上記のようにビームローテータ18によってレーザビームＬを回転させる仕組みを採用すると共に、集光光学系34として無収差のグラディウムレンズを採用しているため、レーザ加工の品質を飛躍的に高めることが可能となる。
すなわち、ビームローテータ18を用いることなく、ガルバノスキャナ36のみで微細孔開け加工（１次元加工）を行った場合には、図２(a)に示すように、開口部44周辺の広い領域でダレ46が発生し、開口部44の形状も不整となる。
これに対し、通常のビームローテータを用いて同じ加工を行うと、図２(b)に示すように、ダレ46の面積が縮小すると共に、開口部44の形状も比較的整ったものとなる。
これに対し、通常のビームローテータを用いて同じ加工を行うと、図２(b)に示すように、ダレ46の面積が縮小すると共に、開口部44の形状も比較的整ったものとなる。
そして、集光光学系34としてグラディウムレンズを採用した上記のビームローテータ18を用いて加工した場合には、図２(c)に示すように、開口部44周辺にダレがほとんど発生することなく、開口部44の形状も真円に近いものとなる。
しかも、アスペクト比（口径に対する深さの割合）が１０倍以上の深い孔を形成することが可能となる。
しかも、アスペクト比（口径に対する深さの割合）が１０倍以上の深い孔を形成することが可能となる。
また、図３(a)に示すように、加工ヘッド20側のみを上下に移動する場合には、レーザビームＬの照射によって形成される凹部48の断面形状も垂直に近い単調な形状とならざるを得なかった。
これに対し、図３(b)に示すように、加工ヘッド20側の上下移動とワークαを載置した加工テーブル40側の上下移動を組み合わせることにより、部分的な傾斜面50を備えた凹部52など、比較的複雑な加工形状を実現することが可能となる。
例えば、このレーザ加工装置10を用いることにより、図４に示すように、ワークαの表面に２つの垂直面（表面からの角度がほぼ９０度の面）54, 54と２つの傾斜面（表面からの角度がほぼ１６度の面）56, 56を備えた、四角錐台形状の微細凹部（１辺：５０μｍ／深さ：１００μｍ）58を形成することが可能となり、３次元マイクロパターンデザインをレーザ加工によって高精度で形成することが可能となる。
図５は、加工対象物である湿式多板クラッチの摩擦板60を示すものであり、繊維素材よりなるリング状の本体部62と、本体部62の内周面に突設された複数の爪部64を備えている。
この摩擦板60を加工テーブル40上に載置し、レーザビームＬを本体部62の表面に照射すると、図６(a)に示すように、凹部66が形成される。
このように、レーザ加工装置10を用いて摩擦板60の表面に凹部66を形成することにより、毛羽立ちがほとんど生じることなく、加工端部（開口端や底面の角部）をシャープに整えることができる。また、凹部66の壁面についても、滑らかな仕上がりを実現できる。
これに対し、従来の切削によって溝を形成した場合には、図６(b)に示すように、加工端部や壁面に毛羽立ちや繊維の抜けが生じてしまい、潤滑油の流通が阻害される結果となる。
このように、レーザ加工装置10を用いて摩擦板60の表面に凹部66を形成することにより、毛羽立ちがほとんど生じることなく、加工端部（開口端や底面の角部）をシャープに整えることができる。また、凹部66の壁面についても、滑らかな仕上がりを実現できる。
これに対し、従来の切削によって溝を形成した場合には、図６(b)に示すように、加工端部や壁面に毛羽立ちや繊維の抜けが生じてしまい、潤滑油の流通が阻害される結果となる。
図５においては、レーザビームＬを縦横に複数回走査させることにより、摩擦板60の表面に格子状の溝70が形成される例を示したが、溝の構成は格子状に限定されるものではない。
例えば、図７に示すように、直径の異なる複数の円形溝72を摩擦板60の表面に同心円状に配置させることもできる。
あるいは、図８に示すように、複数の直線状溝74をリング形状をした摩擦板60の中心から放射状に配置させることもできる。
さらには、摩擦板60の表面にレーザビームＬを散点状に照射させることにより、円筒形状、直方体形状、立方体形状、四角錐台形状（図４参照）等の微細凹部を多数形成し、潤滑油の油溜まりとすることもできる。
あるいは、図８に示すように、複数の直線状溝74をリング形状をした摩擦板60の中心から放射状に配置させることもできる。
さらには、摩擦板60の表面にレーザビームＬを散点状に照射させることにより、円筒形状、直方体形状、立方体形状、四角錐台形状（図４参照）等の微細凹部を多数形成し、潤滑油の油溜まりとすることもできる。
10 レーザ加工装置
12 レーザ発振器
14 波長変換器
16 ビームエキスパンダ
18 ビームローテータ
20 加工ヘッド
22 加工ステージ
24a 第１の反射ミラー
24b 第２の反射ミラー
24c 第３の反射ミラー
24d 第４の反射ミラー
24e 第５の反射ミラー
26a 入射角度調整用光学系のウェッジプリズム
26b 入射角度調整用光学系のウェッジプリズム
28 入射角度調整用光学系
30a 回転半径調整用光学系のウェッジプリズム
30b 回転半径調整用光学系のウェッジプリズム
32 回転半径調整用光学系
34 集光光学系
36 ガルバノスキャナ
38 プロジェクションレンズ
40 加工テーブル
42 回転軸
44 開口部
46 ダレ
48 凹部
50 傾斜面
52 凹部
54 垂直面
56 傾斜面
58 四角錐台形状の微細凹部
60 摩擦板
62 本体部
64 爪部
66 凹部
70 格子状溝
72 円形溝
74 直線状溝
12 レーザ発振器
14 波長変換器
16 ビームエキスパンダ
18 ビームローテータ
20 加工ヘッド
22 加工ステージ
24a 第１の反射ミラー
24b 第２の反射ミラー
24c 第３の反射ミラー
24d 第４の反射ミラー
24e 第５の反射ミラー
26a 入射角度調整用光学系のウェッジプリズム
26b 入射角度調整用光学系のウェッジプリズム
28 入射角度調整用光学系
30a 回転半径調整用光学系のウェッジプリズム
30b 回転半径調整用光学系のウェッジプリズム
32 回転半径調整用光学系
34 集光光学系
36 ガルバノスキャナ
38 プロジェクションレンズ
40 加工テーブル
42 回転軸
44 開口部
46 ダレ
48 凹部
50 傾斜面
52 凹部
54 垂直面
56 傾斜面
58 四角錐台形状の微細凹部
60 摩擦板
62 本体部
64 爪部
66 凹部
70 格子状溝
72 円形溝
74 直線状溝
Claims (3)
- レーザ加工装置から出射されたレーザビームを、加工対象物である湿式多板クラッチの摩擦板に導き、その表面に潤滑油収納用の凹部を形成するレーザ加工方法であって、
上記レーザ加工装置が、
上記摩擦板を載置する加工テーブルと、
この加工テーブルを必要量上下動させる上下動駆動機構と、
この加工テーブルを必要量回転させる回転駆動機構と、
極短パルスレーザ発振器と、
このレーザ発振器から出射されたレーザビームの上記摩擦板表面に対する入射角度を調整する入射角度調整用光学系、上記レーザビームの上記摩擦板表面における回転半径を調整する回転半径調整用光学系、及び集光光学系を有するビームローテータと、
ガルバノスキャナ及びプロジェクションレンズを有する加工ヘッドと、
この加工ヘッドを必要量上下動させる上下動駆動機構とを備え、
さらに、上記ビームローテータの集光光学系が無収差レンズよりなることを特徴とするレーザ加工方法。 - 上記レーザ加工装置の極短パルスレーザ発振器が、ピコ秒レーザ発振器であることを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工方法。
- 湿式多板クラッチの摩擦板の表面に、潤滑油収納用の凹部を形成するためのレーザ加工装置であって、
上記摩擦板を載置する加工テーブルと、
この加工テーブルを必要量上下動させる上下動駆動機構と、
この加工テーブルを必要量回転させる回転駆動機構と、
極短パルスレーザ発振器と、
このレーザ発振器から出射されたレーザビームの上記摩擦板表面に対する入射角度を調整する入射角度調整用光学系、上記レーザビームの上記摩擦板表面における回転半径を調整する回転半径調整用光学系、及び集光光学系を有するビームローテータと、
ガルバノスキャナ及びプロジェクションレンズを有する加工ヘッドと、
この加工ヘッドを必要量上下動させる上下動駆動機構とを備え、
さらに、上記ビームローテータの集光光学系が無収差レンズよりなることを特徴とするレーザ加工装置。
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2013001705A JP2014133242A (ja) | 2013-01-09 | 2013-01-09 | レーザ加工方法及びレーザ加工装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2013001705A JP2014133242A (ja) | 2013-01-09 | 2013-01-09 | レーザ加工方法及びレーザ加工装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2014133242A true JP2014133242A (ja) | 2014-07-24 |
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
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Cited By (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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