JP2014155932A

JP2014155932A - レーザ照射装置及びレーザ照射方法

Info

Publication number: JP2014155932A
Application number: JP2013026661A
Authority: JP
Inventors: Kohei Yanaka; 耕平谷中
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2013-02-14
Filing date: 2013-02-14
Publication date: 2014-08-28

Abstract

【課題】レーザ照射部全体の温度を精度よく測定でき、レーザ照射部の温度管理が正確にできるレーザ照射装置及びレーザ照射方法を提供すること。
【解決手段】本発明にかかるレーザ照射装置１００は、レーザ光源１０１と、レーザ光源１０１から射出されたレーザ光１０７のビーム形状を変更するビーム形状変更部１０４と、レーザ光源１０１からビーム形状変更部１０４へと至る光路上に配置されたビームスプリッタ１０３と、ビーム形状変更部１０４を通過したレーザ光１０７が照射されたレーザ照射部１０８から発生する光線に基づいてレーザ照射部１０８の温度を測定する温度測定部と、を有し、光線は、ビーム形状変更部１０４を通過した後、ビームスプリッタ１０３によって分離され、温度測定部１０６へ導光される。
【選択図】図１

Description

本発明はレーザ照射装置及びレーザ照射方法に関し、特にレーザ光のビーム形状を変更してからワークに照射するレーザ照射技術に関する。

レーザ光をワークに照射する種々の装置が提案されており、例えば、レーザ光線を照射することで金属に焼入れを行う装置が提案されている。焼入れを適切に行うには、焼入れ部位となるレーザ照射部の温度管理を正確に行う必要がある。レーザ照射部の温度測定には、非接触の温度測定手段、例えば、レーザ照射部から生じる赤外線から温度を測定する放射温度計が用いられている。

例えば、特許文献１には、レーザ光源と集光レンズとの間の導光手段中に、焼入れ部位から反射してくる反射光を選別するビームスプリッタを設け、その選別された反射光から焼入れ部位の温度測定手段を設けたレーザ焼入れ装置が記載されている。

特開２００３−１３８３１４号公報

ところで、焼入れ時のレーザ照射面積を広げるためにビーム形状変更部、例えば、回折光学素子やフライアイレンズをレーザ光源からワークに向かう光路上に配置することが考えられる。ビーム形状変更部をレーザ光源とビームスプリッタの間に配置した場合には、放射温度計に導かれる光線断面は矩形となるが、放射温度計の測定スポットは一般的に円形である。そのため、レーザ照射部全体の温度が測定できないので、実際のレーザ照射部の温度と放射温度計で測定する温度のずれが大きいという問題点があった。

本発明は、レーザ照射部全体の温度を精度よく測定でき、レーザ照射部の温度管理が正確にできるレーザ照射装置及びレーザ照射方法を提供することを目的とする。

本発明にかかるレーザ照射装置は、レーザ光源と、前記レーザ光源から射出されたレーザ光のビーム形状を変更するビーム形状変更部と、前記レーザ光源から前記ビーム形状変更部へと至る光路上に配置されたビームスプリッタと、前記ビーム形状変更部を通過した前記レーザ光が照射されたレーザ照射部から発生する光線に基づいて前記レーザ照射部の温度を測定する温度測定部と、を有し、前記光線は、前記ビーム形状変更部を通過した後、前記ビームスプリッタによって分離され、前記温度測定部へ導光されるものである。

上述のレーザ照射装置における温度測定部の測定スポットの面積が、前記光線のうち前記ビームスプリッタで反射された後に前記温度測定部へと導光される光束の断面積よりも大きくてもよい。
また、上述のレーザ照射装置における温度測定部へと導光される前記光束の形状と、前記測定スポットの形状とが、いずれも円形状であってもよい。

上述のレーザ照射装置におけるビーム形状変更部は、フライアイレンズとしてもよい。
ここで、上述のレーザ照射装置におけるビーム形状変更部は、アナモフィック面を有してもよい。
また、上述のレーザ照射装置におけるビーム形状変更部は、回折光学素子であってもよい。
さらに、上述のレーザ照射装置におけるビームスプリッタはダイクロイックミラーであってもよい。

また、上述のレーザ照射装置における光線は、赤外線であってもよい。
好ましくは、上述のレーザ照射装置において、レーザ光源とビーム形状変更部との間にコリメートレンズが設けられていてもよい。
さらに、上述のレーザ照射装置において、前記ビーム形状変更部と前記レーザ照射部との間に正の屈折力を持つレンズが設けられていてもよい。

本発明にかかるレーザ照射方法は、レーザ光源から出射したレーザ光のビーム形状をビーム形状変更部により変更するステップと、前記ビーム形状が変更された前記レーザ光がレーザ照射部に入射するステップと、前記レーザ照射部から発生した光線の光束形状を、前記ビーム形状変更部により変更するステップと、前記光束形状が変更された前記光線を、前記レーザ光の光路から分離するステップと、分離された前記光線に基づいて、前記レーザ照射部の温度を測定するステップと、を有する。

本発明により、レーザ照射部全体の温度を精度よく測定でき、レーザ照射部の温度管理が正確にできるレーザ照射装置及びレーザ照射方法を提供できる。

実施の形態１にかかるレーザ照射装置の光学系の構成を表す図である。実施の形態１にかかるレーザ照射装置のビーム形状変更部にフライアイレンズを用いた場合の、ビーム形状変更の原理を示す図である。実施の形態１にかかるレーザ照射装置の、ビームスプリッタとビーム形状変更部の間における光束の形状とビーム強度の一例を示す図である。実施の形態１にかかるレーザ照射装置の、ビーム形状変更部と集光レンズの間における光束の形状とビーム強度の一例を示す図である。実施の形態１にかかるレーザ照射方法を示すフロー図である。

実施の形態１
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
まず、図１を用いて、本発明の実施の形態１にかかるレーザ照射装置１００の構成を説明する。図１は、実施の形態１にかかるレーザ照射装置の光学系の構成を表す図である。本実施の形態にかかるレーザ照射装置１００は、例えば、金属材料への焼入れを行うためのレーザ焼入れ装置として好適である。

本発明の実施の形態１にかかるレーザ照射装置１００は、レーザ光源１０１、コリメートレンズ１０２、ビームスプリッタ１０３、ビーム形状変更部１０４、集光レンズ１０５、放射温度計１０６から構成される。

レーザ光源１０１から射出されたレーザ光１０７は、コリメートレンズ１０２に入射し、発散光から平行光に変換される。平行光となってコリメートレンズ１０２から射出されたレーザ光１０７は、ビームスプリッタ１０３に入射し、そのまま透過する。コリメートレンズ１０２側からビームスプリッタ１０３を透過したレーザ光１０７は、レーザ光１０７のビーム形状を変更するビーム形状変更部１０４に入射する。ビーム形状が変更されてビーム形状変更部１０４から射出されたレーザ光１０７は、集光レンズ１０５に入射して集光された後、レーザ照射部１０８へと照射される。

レーザ照射部１０８では、集光レンズ１０５を通過して集光されたレーザ光１０７によってワーク１１０の表面が加熱され、加熱された部分からは赤外線１０９が発生する。レーザ照射部１０８において発生した赤外線１０９は、集光レンズ１０５及びビーム形状変更部１０４を通過してビーム形状が変更される。その後、この赤外線１０９は、ビーム形状変更部１０４側からビームスプリッタ１０３へと入射する。ビームスプリッタ１０３において赤外線１０９は反射されて、放射温度計（温度測定部）１０６へと入射する。放射温度計１０６は、入射した赤外線１０９からレーザ照射部１０８の温度を測定する。

レーザ照射部１０８の温度を放射温度計１０６で直接測定しようとすると、レーザ光１０７の光軸から外れて放射温度計１０６を設置することになり、複雑な形状のワークに照射するときには、レーザ照射部１０８がワークの陰に隠れてしまうことがあった。その場合は、レーザ照射部１０８で発生する赤外線１０９が放射温度計１０６に入射しないため、レーザ照射部１０８の温度が正確に測定できなかった。

本実施形態にかかるレーザ照射装置１００は、レーザ照射部１０８で発生する赤外線１０９が、レーザ照射時に通過した集光レンズ１０５を逆方向に通過した後、ビームスプリッタ１０３でレーザ光１０７の光路と分離されて放射温度計１０６へと導光される構成になっている。
そのため、レーザ照射部１０８で発生した赤外線１０９がワークに遮られずに放射温度計１０６へと入射するので、正確な温度測定が可能である。

レーザ光源１０１は、レーザ発振器を有する光源であり、レーザ光１０７を射出する。本実施形態におけるレーザ光源１０１としては、波長が９４０ｎｍ又は９８０ｎｍのファイバ伝送半導体レーザを用いる。レーザ光源１０１は、ファイバ伝送半導体レーザに限られるものではなく、例えば、ＹＡＧレーザであってもよい。また、レーザ光１０７の波長は、焼入れ用途については８００〜１１００ｎｍを用いることが多いが、これに限定されるものではない。

コリメートレンズ１０２は、レーザ光源１０１側から発散光として入射したレーザ光１０７を略平行光に変換して射出する。コリメートレンズ１０２は単レンズであってもよいし、複数枚のレンズを組み合わせたものであってもよい。また、コリメートレンズ１０２に用いるレンズは、全て球面レンズであってもよいし、非球面レンズを含んでいてもよい。
コリメートレンズ１０２を設けることで、レーザ光源１０１から射出されたレーザ光１０７を効率良くレーザ照射部１０８へ照射することができる。

ビームスプリッタ１０３は、入射した光線の光束を複数に分割して射出する。本実施形態におけるビームスプリッタ１０３としては、レーザ光源１０１から射出されたレーザ光１０７は透過し、レーザ照射部１０８で発生する赤外線１０９は反射するように設計されたダイクロイックミラーが好適である。
ダイクロイックミラーを用いることで、特定の波長の光線のみ光路を分離することができる。

ビームスプリッタ１０３はダイクロイックミラーに限定されるものではなく、レーザ照射部１０８で発生する赤外線１０９を反射するものであればよい。ビームスプリッタ１０３は、例えば、ダイクロイックプリズムやハーフミラーであってもよい。

ビーム形状変更部１０４は、入射光線の光束の断面形状を変更してから射出する。例えば、ビーム形状変更部１０４は、円形の光束断面のレーザ光１０７が入射すると、光束断面を矩形に変更して射出する。また、ビーム形状変更部１０４は、これとは逆方向から矩形の断面のレーザ光１０７が入射すると、光束断面を円形に変更して射出する。

ビーム形状変更部１０４には、例えば、フライアイレンズ、回折光学素子、ビームホモジナイザ、アナモフィック面を有するレンズ等を用いることができる。アナモフィック面の例としては、シリンドリカル面、トロイダル面、スプライン関数を用いた自由曲面等がある。

ここで、図２を用いて、ビーム形状変更部１０４にフライアイレンズを用いた場合のビーム形状変更の原理を説明する。図２は、実施の形態１にかかるレーザ照射装置のビーム形状変更部にフライアイレンズを用いた場合の、ビーム形状変更の原理を示す図である。

フライアイレンズに入射したレーザ光１０７の光束は、フライアイレンズ内の個眼レンズの数に分割されて、集光レンズ１０５に入射する。集光レンズ１０５に入射した分割後の各光束は、それぞれに焦点位置２０１を持ち、任意の位置で最終的に合成されて、レーザ照射部１０８でワークに照射される。
また、フライアイレンズ内の個眼レンズがアナモフィック面を有することで、ビームスポットの縦横比を変更することができる。

ビーム形状変更部１０４に、フライアイレンズ、回折光学素子、又はビームホモジナイザを用いた場合には、ビーム形状の変更と併せて、ビーム強度を均一化することもできる。
図２において、入射ビーム強度２１０は、中心部が強く、周辺部が弱い形状をしている。しかし、フライアイレンズにレーザ光１０７が入射すると、光束が分割されて、光束ごとに一度集光した後に、再度発散してレーザ照射部１０８でワークに照射される。その過程で、ビーム強度は均一化され、照射ビーム強度２２０は、照射領域で均一になる。

図３と図４を用いて、ビームスポット形状とビーム強度が、ビーム形状変更部１０４の通過前と通過後でどのように変化するかを説明する。
図３は、実施の形態１にかかるレーザ照射装置の、ビームスプリッタとビーム形状変更部の間における光束の形状とビーム強度の一例を示す図である。より具体的には、図３は、レーザ光源１０１から射出されたレーザ光１０７がビーム形状変更部１０４に入射する前のビームスポット形状とビーム強度を示す。入射前ビームスポット径３０１は円形であり、入射前ビーム強度３０２は、中心部が強く、周辺部が弱くなる。

図４は、実施の形態１にかかるレーザ照射装置の、ビーム形状変更部と集光レンズの間における光束の形状とビーム強度の一例を示す図である。より具体的には、図４は、レーザ光源１０１から入射したレーザ光がビーム形状変更部１０４から出射した後のビームスポット形状とビーム強度を示す。出射後ビームスポット径４０１は矩形であり、出射後ビーム強度４０２は、一様な強度分布となる。

ビーム形状変更部１０４にシリンドリカルレンズやトロイダルレンズのようなビーム強度を均一化する機能を有しない素子を用いた場合には、ビーム形状変更部１０４とレーザ照射部１０８の間にビームホモジナイザやフライアイレンズを別途配置することで、ビーム強度を均一化してもよい。

集光レンズ１０５は、フォーカスレンズとも呼ばれ、正の屈折力を有するレンズである。集光レンズ１０５は、照射するレーザスポットの倍率を変更する機能と、レーザ光１０７を絞って集めることでレーザ照射時のビーム強度を大きくする機能を有する。集光レンズ１０５は単レンズであってもよいし、複数枚のレンズを組み合わせたものであってもよい。また、集光レンズ１０５に用いるレンズは、全て球面レンズであってもよいし、非球面レンズを含んでいてもよい。

また、集光レンズ１０５を設けずに、ビーム形状変更部１０４を通過したレーザ光１０７をレーザ照射部１０８に照射することもできる。しかし、集光レンズ１０５を通過してレーザ光１０７を照射する構成にする方が、レーザ照射部１０８における照射領域の大きさ及びビーム強度の変更が容易になる。

レーザ照射部１０８では、ビーム形状変更部１０４で変形されたレーザ光１０７がワークに対して照射される。レーザ光１０７によって加熱されたワークからは赤外線１０９が発生する。本実施形態にかかるレーザ照射装置１００を鉄鋼への焼入れに用いるときには、焼入れ部位の温度が、７２０度以上、鉄の融点１５３８度以下の温度となる。この場合、焼入れ部位からは赤外線１０９が発生する。

放射温度計（温度測定部）１０６は、物体から放射される赤外線や可視光線の強度を測定して、物体の温度を測定する温度計である。本実施形態では、レーザ照射部１０８の温度を測定するために放射温度計１０６を用いる。放射温度計１０６として、パイロメータやパイロセンサを用いることもできる。本実施形態では、焼入れ部位から発生する赤外線１０９の強度から温度を測定する。

ビームスプリッタ１０３で分離された赤外線１０９を、放射温度計１０６へと直接入射させてもよい。また、受光部を別途設けて、光ファイバ等の導光手段を用いて、赤外線１０９を放射温度計１０６へ導光してもよい。

特許文献１に記載のレーザ焼入れ装置は、集光径の小さいビームスポットで広範囲に焼入れをするために、トーチの進行方向に対して垂直にレーザを走査しながらトーチを動かす構成となっている。そのため、小さいビームスポットの温度を測定しており、焼入れ幅全体の温度を一度に測定できない。

それに対して、ビーム形状変更部１０４においてレーザ光１０７のビーム形状を拡大してからレーザ光１０７を照射すると、一度に広い領域の焼入れが可能となる。この場合、焼入れする領域全体で発生する赤外線１０９を放射温度計１０６に取り込むことができるので、焼入れ幅全体の温度を測定できる。

本実施形態において、レーザ照射部１０８の形状を、例えば、横８ｍｍ×縦２ｍｍの矩形とすることで、鉄鋼への焼入れを効果的に行うことができる。レーザ照射部１０８の形状は、矩形の中でも長方形に限られるものではなく、正方形であってもよい。また、四角形以外の多角形であってもよい。

小さいビームスポットで焼入れを行った場合には、ビーム強度はビームスポットの中心が強く、周辺が弱くなる。よって、レーザ照射部１０８の温度を測定したときに、測定温度のぶれが大きくなる。一方、矩形の広いビームスポットで焼入れを行った場合には、ビーム強度が一様となるのでレーザ照射部１０８の温度が均一に上がる。このレーザ照射部全体の温度を測定するため、測定温度のぶれが小さくなる。

また、ビーム形状変更部１０４を設けた場合であっても、ビーム形状変更部１０４と集光レンズ１０５の間にビームスプリッタ１０３を配置する構成にすると、放射温度計１０６に入射する光束の形状は矩形となる。放射温度計１０６の測定スポットが円形の場合には、矩形領域全体の赤外線１０９をとらえることができず、温度を正確に測定することができない。

それに対して、本実施形態のように、ビームスプリッタ１０３をレーザ光源１０１からビーム形状変更部１０４へと至る光路上に配置する構成にすると、赤外線１０９は、光束が矩形から円形に変更された後に放射温度計１０６へと入射する。

この構成をとった場合、放射温度計１０６の測定スポットの面積が、放射温度計１０６へと導光される赤外線１０９の光束の断面積よりも大きくなる。これにより、レーザ照射部１０８で発生する赤外線１０９の全体を放射温度計１０６で捉えられるようになるので、レーザ照射部１０８の温度を正確に測定できる。

また、上述の構成をとった場合には、赤外線１０９の光束の形状と、放射温度計１０６の測定スポットの形状とが、いずれも円形状となる。このときもまた、レーザ照射部１０８で発生する赤外線１０９の全体を放射温度計１０６で捉えられるようになるので、レーザ照射部１０８の温度を正確に測定できる。
なお、放射温度計１０６の測定スポットは一般的には円形であることが多いが、これに限定されるものではなく、例えば、楕円形であってもよい。

次に、図５を用いて、本実施形態にかかるレーザ照射方法を説明する。図５は、実施の形態１にかかるレーザ照射方法を示すフロー図である。
まず、レーザ光源１０１から出射したレーザ光１０７のビーム形状をビーム形状変更部１０４により変更する（ビーム形状変更ステップＳ５１）。例えば、ビーム形状を円形から矩形に変更する。ビーム形状変更部１０４には、例えば、フライアイレンズ、アナモフィック面を有する素子、又はビームホモジナイザ等を用いる。

次に、ビーム形状変更部１０４によりビーム形状が変形されたレーザ光１０７が、レーザ照射部１０８に入射する（レーザ光照射ステップＳ５２）。レーザ照射部１０８では、レーザ光１０７によってワーク１１０が加熱されて、赤外線１０９が発生する。

次に、レーザ照射部１０８から発生した赤外線１０９の光束形状を、ビーム形状変更部１０４により変更する（光線光束形状変更ステップＳ５３）。ビームスプリッタ１０３側からビーム形状変更部１０４に入射したレーザ光１０７のビーム形状を円形から矩形に変更した場合には、それとは逆に、赤外線１０９の光束形状を矩形から円形に変更する。

次に、ビーム形状変更部１０４において光束形状が変更された赤外線１０９は、ビームスプリッタ１０３で反射して、レーザ光１０７の光路から分離する（光路分離ステップＳ５４）。ビームスプリッタ１０３としては、例えば、ダイクロイックミラー、ハーフミラー、又はダイクロイックプリズムを用いる。

次に、ビームスプリッタ１０３によりレーザ光１０７の光路から分離された赤外線１０９に基づいて、レーザ照射部１０８の温度を測定する（温度測定ステップＳ５５）。温度の測定には、放射温度計１０６を用いる。

本実施形態にかかるレーザ照射方法は、レーザ照射部１０８から発生した赤外線１０９の光束形状をビーム形状変更部１０４により変更した後、ビームスプリッタ１０３によりレーザ光１０７の光路から赤外線１０９を分離し、光路分離後の赤外線１０９に基づいてレーザ照射部１０８の温度を測定する。

そのため、放射温度計１０６に入射する赤外線１０９の光束形状を、放射温度計１０６の測定スポットに合わせることができるので、レーザ照射部１０８の温度を正確に測定できる。

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、レーザ照射装置１００は必ずしもレーザ焼入れ装置に限定されず、レーザアニール装置やレーザ加工装置であってもよい。また、レーザを照射する対象は、金属に限定されるものではなく、シリコン等の無機材料や樹脂等の有機材料であってもよい。

１０１レーザ光源
１０２コリメートレンズ
１０３ビームスプリッタ
１０４ビーム形状変更部
１０５集光レンズ
１０６放射温度計
１０７レーザ光
１０８レーザ照射部
１０９赤外線

Claims

レーザ光源と、
前記レーザ光源から射出されたレーザ光のビーム形状を変更するビーム形状変更部と、
前記レーザ光源から前記ビーム形状変更部へと至る光路上に配置されたビームスプリッタと、
前記ビーム形状変更部を通過した前記レーザ光が照射されたレーザ照射部から発生する光線に基づいて前記レーザ照射部の温度を測定する温度測定部と、を有し、
前記光線は、前記ビーム形状変更部を通過した後、前記ビームスプリッタによって分離され、前記温度測定部へ導光される、レーザ照射装置。
前記温度測定部の測定スポットの面積が、前記光線のうち前記ビームスプリッタで反射された後に前記温度測定部へと導光される光束の断面積よりも大きい、請求項１に記載のレーザ照射装置。
前記温度測定部へと導光される前記光束の形状と、前記測定スポットの形状とが、いずれも円形状である、請求項２に記載のレーザ照射装置。
前記ビーム形状変更部は、フライアイレンズであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のレーザ照射装置。
前記ビーム形状変更部は、アナモフィック面を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のレーザ照射装置。
前記ビーム形状変更部は、回折光学素子であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のレーザ照射装置。
前記ビームスプリッタはダイクロイックミラーであることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載のレーザ照射装置。
前記光線は、赤外線であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載のレーザ照射装置。
前記レーザ光源とビーム形状変更部との間にコリメートレンズが設けられていることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載のレーザ照射装置。
前記ビーム形状変更部と前記レーザ照射部との間に正の屈折力を持つレンズが設けられていることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載のレーザ照射装置。
レーザ光源から出射したレーザ光のビーム形状をビーム形状変更部により変更するステップと、
前記ビーム形状が変更された前記レーザ光がレーザ照射部に入射するステップと、
前記レーザ照射部から発生した光線の光束形状を、前記ビーム形状変更部により変更するステップと、
前記光束形状が変更された前記光線を、前記レーザ光の光路から分離するステップと、
分離された前記光線に基づいて、前記レーザ照射部の温度を測定するステップと、
を有するレーザ照射方法。