JP2018003086A - 焼入れ用レーザ加工装置及び焼入れ用レーザヘッド - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構成で加工対象物に均一な焼入れ加工を施すことができる焼入れ用レーザ加工装置及び焼入れ用レーザヘッドを提供する。【解決手段】焼入れ用レーザ加工装置は、支持ステージと、レーザヘッドと、保持ロボットと、制御部と、を備えている。レーザヘッドは、光源と、集光素子と、導光部材と、を有している。導光部材は、軸線ＡＸ上において対向する入射端面及び出射端面、並びに、軸線ＡＸを包囲する側面を有している。側面には、軸線ＡＸに沿って延在する第１凹部５１が形成されており、Ｚ軸方向における導光部材の幅は、Ｙ軸方向における中間部５０ａに比べ、Ｙ軸方向における両側部５０ｂ，５０ｃのそれぞれにおいて大きくなっている。制御部は、レーザ光の照射領域においてＺ軸方向に対応する方向に沿って、照射領域がワークに対して相対的に移動するように、支持部及び保持部の少なくとも１つの動作を制御する。【選択図】図５

Description

本発明は、焼入れ用レーザ加工装置及び焼入れ用レーザヘッドに関する。

加工対象物に均一な焼入れ加工を施すためのレーザ加工装置として、特許文献１には、計算機ホログラムを用いることで、長軸方向に沿ってビーム中心からビーム両端に向けて一次関数的に増加するＭ字形状の強度分布形状を有するように、レーザビームを整形するレーザ加工装置が記載されている。特許文献１に記載されたレーザ加工装置においては、前述した長軸方向に垂直な方向に沿って、レーザビームの照射領域が加工対象物に対して相対的に移動させられる。

特開２０１０−５２０２３号公報

しかしながら、特許文献１に記載されたレーザ加工装置では、計算機ホログラムが必要であるため、レーザ加工装置の構成が複雑となっている。また、特許文献１に記載されたレーザ加工装置では、Ｍ字形状の強度分布形状の頂部において入熱過多となる現象が、例えばレーザビームの照射開始位置で生じ易い。

そこで、本発明は、簡易な構成で加工対象物に均一な焼入れ加工を施すことができる焼入れ用レーザ加工装置及び焼入れ用レーザヘッドを提供することを目的とする。

本発明の焼入れ用レーザ加工装置は、加工対象物を支持する支持部と、加工対象物にレーザ光を照射するレーザヘッドと、レーザヘッドを保持する保持部と、支持部及び保持部の少なくとも１つの動作を制御する制御部と、を備え、レーザヘッドは、互いに交差する第１方向及び第２方向に沿って２次元的に配列された複数の光出力部を有し、第１方向及び第２方向に交差する第３方向に沿って光出力部のそれぞれからレーザ光を出力する光源と、光源からのレーザ光を集光する集光素子と、所定の軸線上において互いに対向する入射端面及び出射端面、並びに、軸線を包囲する側面を有し、集光素子によって集光されたレーザ光を導光する柱状の導光部材と、を有し、側面には、軸線に沿って延在する第１凹部が形成されており、軸線に交差する第４方向における導光部材の幅は、軸線及び第４方向に交差する第５方向における中間部に比べ、第５方向における両側部のそれぞれにおいて大きくなっており、制御部は、レーザ光の照射領域において第４方向に対応する方向に沿って、照射領域が加工対象物に対して相対的に移動するように、支持部及び保持部の少なくとも１つの動作を制御する。

この焼入れ用レーザ加工装置では、光源の各光出力部から出力されて集光素子によって集光された複数のレーザ光が、所定の軸線に沿って延在する第１凹部が形成された導光部材によって導光される。導光部材では、複数のレーザ光が第１凹部の内面で反射されるため、加工対象物に照射されるレーザ光の照射領域における強度分布は、複数のレーザ光が例えば四角柱状の導光部材によって導光される場合に比べ、均一化される。したがって、例えばレーザ光の照射開始位置で入熱過多となる現象が生じ難くなる。また、この焼入れ用レーザ加工装置では、第１凹部が形成されている部分において、所定の軸線に交差する第４方向における導光部材の幅が、中間部に比べ、両側部のそれぞれにおいて大きくなっており、レーザ光の照射領域が、第４方向に対応する方向に沿って、加工対象物に対して相対的に移動させられる。これにより、レーザ光の照射時間は、レーザ光の照射領域のうち中間部に対応する領域に比べ、レーザ光の照射領域のうち両側部のそれぞれに対応する領域において長くなる。したがって、レーザ光の照射によって加工対象物に入力されるエネルギー量が、レーザ光の照射領域のうち中間部に対応する領域に比べ、レーザ光の照射領域のうち熱が逃げ易い両側部のそれぞれに対応する領域において多くなり、その結果、レーザ光の照射によって加工対象物に入力されるエネルギー量のうち焼入れ加工に寄与するエネルギー量が均一化される。以上により、この焼入れ用レーザ加工装置によれば、導光部材という簡易な構成を用いて、加工対象物に均一な焼入れ加工を施すことができる。

本発明の焼入れ用レーザ加工装置では、制御部は、照射領域のうち第１凹部に対応する領域が先行した状態で、照射領域が加工対象物に対して相対的に移動するように、支持部及び保持部の少なくとも１つの動作を制御してもよい。レーザ光の照射領域のうち両側部のそれぞれに対応する領域では熱が逃げ易いものの、照射領域のうち第１凹部に対応する領域が先行させられることで、当該領域の両端部において加工対象物に前加熱（当該両端部から加工対象物の加熱が開始されること）が施されるため、レーザ光の照射領域のうち両側部のそれぞれに対応する領域での熱の逃げが抑制される。よって、より均一な焼入れ加工を加工対象物に施すことができる。

本発明の焼入れ用レーザ加工装置では、側面には、軸線に沿って延在し且つ第４方向において第１凹部に対向する第２凹部が更に形成されていてもよい。この構成によれば、導光部材において、複数のレーザ光が、第１凹部の内面に加え第２凹部の内面でも反射されるため、加工対象物に照射されるレーザ光の照射領域における強度分布が、より一層均一化される。また、照射領域のうち第１凹部及び第２凹部の一方に対応する領域が先行させられることで、照射領域のうち第１凹部及び第２凹部の一方に対応する領域の両端部において加工対象物に前加熱が施され、照射領域のうち第１凹部及び第２凹部の他方に対応する領域の両端部において加工対象物に後加熱（当該両端部にて加工対象物の加熱が終了すること）が施される。これにより、レーザ光の照射領域のうち両側部のそれぞれに対応する領域での熱の逃げが抑制され、また、当該領域で逃げた熱量の少なくとも一部が補われる。よって、より均一な焼入れ加工を加工対象物に施すことができる。

本発明の焼入れ用レーザ加工装置では、第１凹部の内面及び第２凹部の内面のそれぞれは、軸線側に凸となるように湾曲していてもよい。この構成によれば、レーザ光の照射によって加工対象物に入力されるエネルギー量を連続的に変化させることができるため、より均一な焼入れ加工を加工対象物に施すことができる。

本発明の焼入れ用レーザ加工装置では、第１凹部及び第２凹部のそれぞれは、入射端面と出射端面との間に渡って形成されていてもよい。この構成によれば、加工対象物に照射されるレーザ光の照射領域における強度分布が、より一層均一化される。また、所望の形状を有するレーザ光の照射領域を確実に得ることができる。

本発明の焼入れ用レーザ加工装置では、側面には、軸線に沿って延在し且つ第５方向において互いに対向する第３凹部及び第４凹部が更に形成されていてもよい。この構成によれば、導光部材において、複数のレーザ光が、第１凹部の内面及び第２凹部の内面に加え第３凹部の内面及び第４凹部の内面でも反射されるため、加工対象物に照射されるレーザ光の照射領域における強度分布が、より一層均一化される。また、レーザ光の照射領域のうち両側部のそれぞれに対応する領域では熱が逃げ易いものの、照射領域のうち第３凹部及び第４凹部のそれぞれに対応する領域の両端部において加工対象物に補助前加熱（照射領域の前側部分において焼入れ領域の外側から補助的に加熱すること）及び補助後加熱（照射領域の後側部分において焼入れ領域の外側から補助的に加熱すること）が施されるため、レーザ光の照射領域のうち両側部のそれぞれに対応する領域での熱の逃げが抑制され、また、当該領域で逃げた熱量の少なくとも一部が補われる。よって、より均一な焼入れ加工を加工対象物に施すことができる。

本発明の焼入れ用レーザ加工装置では、第３凹部の内面及び第４凹部の内面のそれぞれは、軸線側に凸となるように湾曲していてもよい。この構成によれば、レーザ光の照射によって加工対象物に入力されるエネルギー量を連続的に変化させることができるため、より均一な焼入れ加工を加工対象物に施すことができる。

本発明の焼入れ用レーザ加工装置では、第３凹部及び第４凹部のそれぞれは、入射端面と出射端面との間に渡って形成されていてもよい。この構成によれば、加工対象物に照射されるレーザ光の照射領域における強度分布が、より一層均一化される。また、所望の形状を有するレーザ光の照射領域を確実に得ることができる。

本発明の焼入れ用レーザ加工装置では、側面は、第１凹部の内面、第２凹部の内面、第３凹部の内面及び第４凹部の内面、並びに、互いに交差する位置関係にある内面のそれぞれに接続され且つ軸線の反対側に凸となるように湾曲した複数の面取り面によって、構成されていてもよい。この構成によれば、導光部材に外力が作用したとしても、応力集中が生じるのを抑制することができる。

本発明の焼入れ用レーザヘッドは、互いに交差する第１方向及び第２方向に沿って２次元的に配列された複数の光出力部を有し、第１方向及び第２方向に交差する第３方向に沿って光出力部のそれぞれからレーザ光を出力する光源と、光源からのレーザ光を集光する集光素子と、所定の軸線上において互いに対向する入射端面及び出射端面、並びに、軸線を包囲する側面を有し、集光素子によって集光されたレーザ光を導光する柱状の導光部材と、を有し、側面には、軸線に沿って延在する第１凹部が形成されており、軸線に交差する第４方向における導光部材の幅は、軸線及び第４方向に交差する第５方向における中間部に比べ、第５方向における両側部のそれぞれにおいて大きくなっている。

この焼入れ用レーザヘッドによれば、上述したように、レーザ光の照射領域を、第４方向に対応する方向に沿って、加工対象物に対して相対的に移動させることで、簡易な構成で加工対象物に均一な焼入れ加工を施すことができる。

本発明によれば、簡易な構成で加工対象物に均一な焼入れ加工を施すことができる焼入れ用レーザ加工装置及び焼入れ用レーザヘッドを提供することが可能となる。

一実施形態の焼入れ用レーザ加工装置の構成図である。 図１のレーザヘッドの構成図である。 図２の光源の構成図である。 図２の導光部材の斜視図である。 図４の導光部材の断面図ある。 図１の焼入れ用レーザ加工装置におけるレーザ光の照射領域を示す図である。 （ａ）図２の導光部材の出射端面におけるレーザ光の強度分布を示す図である。（ｂ）四角柱状の導光部材の出射端面におけるレーザ光の強度分布を示す図である。 レーザ光の照射領域における入力エネルギーを示す図である。 （ａ）第１変形例の導光部材の断面図である。（ｂ）第２変形例の導光部材の断面図である。（ｃ）第３変形例の導光部材の断面図である。（ｄ）第４変形例の導光部材の断面図である。 変形例のレーザヘッドの構成図である。

以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

図１に示されるように、焼入れ用レーザ加工装置１００は、レーザヘッド（焼入れ用レーザヘッド）１と、保持ロボット（保持部）１０１と、支持ステージ（支持部）１０２と、電源１０３と、冷却機１０４と、制御部１０５と、を備えている。焼入れ用レーザ加工装置１００は、金属材料からなるワーク（加工対象物）Ｗにレーザ光Ｌを照射することで、ワークＷに焼入れ加工を施す装置である。なお、焼入れとは、鋼等の金属をオーステナイト領域まで加熱し適当な冷媒中で急冷し、マルテンサイト組織として硬化させる熱処理である。

レーザヘッド１は、ワークＷにレーザ光Ｌを照射する。保持ロボット１０１は、レーザヘッド１を保持する。支持ステージ１０２は、ワークＷを支持する。電源１０３は、レーザヘッド１が備える複数の半導体レーザアレイに電流を供給する。冷却機１０４は、レーザヘッド１が備える複数の半導体レーザアレイを冷却するために、冷却水を循環させる。

制御部１０５は、保持ロボット１０１を動作させる。制御部１０５は、レーザ光Ｌの照射領域がワークＷの表面に沿って移動するように（すなわち、ワークＷに対して相対移動するように）、保持ロボット１０１を動作させる。このような保持ロボット１０１の制御は、例えば、レーザヘッド１に取り付けられた距離センサからの出力に基づいて実施される。なお、制御部１０５は、保持ロボット１０１だけでなく、焼入れ用レーザ加工装置１００の各部を制御する。

図２に示されるように、レーザヘッド１は、光源２と、集光素子３と、集光素子４と、導光部材５と、筐体６と、を有している。光源２、集光素子３、導光部材５及び集光素子４は、筐体６に収容されており、Ｘ軸方向（第３方向）に沿ってこの順に配列されている。これにより、レーザヘッド１は、直接集光型半導体レーザ（ＤＤＬ）として構成されている。

図２及び図３に示されるように、光源２は、複数（例えば３０個）の半導体レーザアレイ２１と、複数のコリメートレンズ２２と、複数のヒートシンク２３と、を有している。複数の半導体レーザアレイ２１は、例えば数ｍｍの等間隔で、Ｚ軸方向（第２方向）にスタック（積層）されている。１つの半導体レーザアレイ２１には、複数（例えば３０個）の発光部２１ａが形成されている。１つの半導体レーザアレイ２１においては、複数の発光部２１ａが例えば数百μｍの等間隔で、Ｙ軸方向（第１方向）に沿って１次元的に配列されている。発光部２１ａは、Ｙ軸方向をスロー方向とすると共にＺ軸方向をファースト方向とする半導体レーザ素子である。発光部２１ａは、Ｘ軸方向に沿ってレーザ光Ｌａを出射する。なお、上述したレーザ光Ｌは、光源２から出射された複数のレーザ光Ｌａの集合である。

各コリメートレンズ２２は、各半導体レーザアレイ２１の光出射側に配置されている。コリメートレンズ２２は、半導体レーザアレイ２１の複数の発光部２１ａからＸ軸方向に沿って出射された複数のレーザ光Ｌａをコリメートする。より具体的には、コリメートレンズ２２は、Ｚ軸方向（すなわち、ファースト方向）へのレーザ光Ｌａの広がりをコリメートする。各ヒートシンク２３は、各半導体レーザアレイ２１と熱的に接続されている。ヒートシンク２３には、冷却機１０４によって冷却水が循環させられる。これにより、ヒートシンク２３は、半導体レーザアレイ２１を冷却する。

光源２においては、１つの発光部２１ａ、及びその光出射側に配置されたコリメートレンズ２２によって、１つの光出力部２４が構成されている。つまり、光源２は、互いに交差（レーザヘッド１では、直交）するＹ軸方向及びＺ軸方向に沿って２次元的に（すなわち、マトリックス状に）配列された複数の光出力部２４を有している。特に、ここでは、光出力部２４は、Ｙ軸方向及びＺ軸方向を含む四角形状の領域Ｒ１に配列されている。領域Ｒ１は、一例として正方形状であるが、長方形状であってもよい。

光源２は、Ｙ軸方向及びＺ軸方向に交差（レーザヘッド１では、直交）するＸ軸方向に沿って複数の光出力部２４から複数のレーザ光Ｌａを出射する。これにより、集光素子３に入射する複数のレーザ光Ｌａの光軸の位置は、Ｙ軸方向及びＺ軸方向に沿って２次元に（すなわち、マトリックス状に）配列された状態となる。

図２に示されるように、集光素子３は、Ｙ軸方向及びＺ軸方向の両方について、光源２からのレーザ光Ｌａのそれぞれを、導光部材５の入射端面５ａに向けて集光する。入射端面５ａにおけるレーザ光のスポット（複数のレーザ光Ｌａのスポットの集合）は、四角形状である。ここでは、入射端面５ａにおけるレーザ光のスポットは、正方形状であるが、長方形状であってもよい。集光素子３は、例えばレンズである。なお、集光素子３は、レーザ光のスポットを入射端面５ａ上に位置させてもよいし、或いは、レーザ光のスポットを入射端面５ａの手前若しくは奥（すなわち、導光部材５内）に位置させてもよい。

集光素子４は、導光部材５の出射端面５ｂから出射されたレーザ光Ｌの照射領域がワークＷの表面上に位置するようにレーザ光Ｌを集光する。そのために、集光素子４は、第１素子４１と、第２素子４２と、を含んでいる。第１素子４１及び第２素子４２は、Ｘ軸方向に沿ってこの順に配列されている。第１素子４１は、Ｙ軸方向及びＺ軸方向の両方について、出射端面５ｂから出射されたレーザ光Ｌをコリメートする。第２素子４２は、第１素子４１からのレーザ光Ｌを集光し、ワークＷの表面上にレーザ光Ｌの照射領域を形成する。

導光部材５は、集光素子３と集光素子４との間に配置されている。導光部材５は、入射端面５ａに入射したレーザ光Ｌａを導光し、出射端面５ｂからレーザ光Ｌとして出射する。図４に示されるように、導光部材５は、Ｘ軸方向に平行な軸線（所定の軸線）ＡＸに沿って延在する柱状（棒状）の部材（いわゆる、ライトパイプ、ロッドプリズム）である。一例として、導光部材５は、ガラス等の光透過性材料によって、１．５ｍｍ×１．５ｍｍ×６０ｍｍ程度の寸法で形成されている。

導光部材５は、入射端面５ａ、出射端面５ｂ及び側面５０を有している。入射端面５ａ及び出射端面５ｂは、軸線ＡＸ上において互いに対向している。入射端面５ａは、集光素子３に対向しており、出射端面５ｂは、集光素子４に対向している。側面５０は、入射端面５ａと出射端面５ｂとの間において軸線ＡＸを包囲している。

図５に示されるように、側面５０には、第１凹部５１、第２凹部５２、第３凹部５３及び第４凹部５４が形成されている。第１凹部５１及び第２凹部５２は、軸線ＡＸに交差（レーザヘッド１では、直交）するＺ軸方向（第４方向）において互いに対向している。第３凹部５３及び第４凹部５４は、軸線ＡＸ及びＺ軸方向に交差（レーザヘッド１では、直交）するＹ軸方向（第５方向）において互いに対向している。第１凹部５１及び第２凹部５２のそれぞれは、Ｚ軸方向において軸線ＡＸ側に凹んでいる。第３凹部５３及び第４凹部５４のそれぞれは、Ｙ軸方向において軸線ＡＸ側に凹んでいる。第１凹部５１、第２凹部５２、第３凹部５３及び第４凹部５４のそれぞれは、軸線ＡＸに沿って延在しており、入射端面５ａと出射端面５ｂとの間に渡って形成されている。

軸線ＡＸに平行な方向から見た場合に、第１凹部５１の内面５１ａ、第２凹部５２の内面５２ａ、第３凹部５３の内面５３ａ及び第４凹部５４の内面５４ａのそれぞれは、軸線ＡＸ側に凸となるように湾曲している。これにより、Ｚ軸方向における導光部材５の幅は、Ｙ軸方向における中心位置に近づくほど小さくなるように連続的に変化しており、Ｙ軸方向における中心位置において最少となっている。また、Ｙ軸方向における導光部材５の幅は、Ｚ軸方向における中心位置に近づくほど小さくなるように連続的に変化しており、Ｚ軸方向における中心位置において最少となっている。

互いに交差する位置関係にある内面５１ａ，５２ａ，５３ａ，５４ａのそれぞれには、面取り面５５が接続されている。各面取り面５５は、軸線ＡＸの反対側に凸となるように湾曲している。つまり、導光部材５の側面５０は、第１凹部５１の内面５１ａ、第２凹部５２の内面５２ａ、第３凹部５３の内面５３ａ及び第４凹部５４の内面５４ａ、並びに、複数の面取り面５５によって、構成されている。

Ｚ軸方向における導光部材５の幅は、Ｙ軸方向における中間部５０ａに比べ、Ｙ軸方向における両側部５０ｂ，５０ｃのそれぞれにおいて大きくなっている。つまり、Ｚ軸方向における両側部５０ｂ，５０ｃのそれぞれの幅（平均値）は、Ｚ軸方向における中間部５０ａの幅（平均値）よりも大きくなっている。ここで、中間部５０ａは、導光部材５のうち、Ｙ軸方向における中心位置を含む所定幅の部分である。側部５０ｂは、導光部材５のうち、Ｙ軸方向における中間部５０ａの一端（第３凹部５３側の端）から第３凹部５３の内面５３ａの最深部までの所定幅の部分である。側部５０ｃは、導光部材５のうち、Ｙ軸方向における中間部５０ａの他端（第４凹部５４側の端）から第４凹部５４の内面５４ａの最深部までの所定幅の部分である。なお、Ｚ軸方向は、軸線ＡＸに交差する第４方向の一例であり、Ｙ軸方向は、軸線ＡＸ及び第４方向に交差する第５方向の一例であるから、Ｚ軸方向を、軸線ＡＸに交差する第４方向と言い換え、Ｙ軸方向を、軸線ＡＸ及び第４方向に交差する第５方向と言い換えることができる。

中間部５０ａ及び両側部５０ｂ，５０ｃは、次のように捉えることもできる。すなわち、Ｙ軸方向における導光部材５の幅の最小値（図５では、第３凹部５３の内面５３ａの最深部と第４凹部５４の内面５４ａの最深部との間の距離）を３等分し、その中央に対応する領域を中間部５０ａと捉え、その両側に対応する領域を両側部５０ｂ，５０ｃと捉えてもよい。また、Ｙ軸方向における導光部材５の幅の最大値（図５では、Ｙ軸方向において互いに対向する面取り面５５間の距離）を３等分し、その中央に対応する領域を中間部５０ａと捉え、その両側に対応する領域を両側部５０ｂ，５０ｃと捉えてもよい。なお、Ｚ軸方向は、軸線ＡＸに交差する第４方向の一例であり、Ｙ軸方向は、軸線ＡＸ及び第４方向に交差する第５方向の一例であるから、Ｚ軸方向を、軸線ＡＸに交差する第４方向と言い換え、Ｙ軸方向を、軸線ＡＸ及び第４方向に交差する第５方向と言い換えることができる。

なお、上述したように、導光部材５は、柱状（棒状）の部材（いわゆる、ライトパイプ、ロッドプリズム）あって、光ファイバとは区別される。すなわち、典型的には、光ファイバは、コア、コアを囲むクラッド、及びクラッドを覆う被覆等から構成されている。光ファイバは、コアとクラッドとの屈折率差によってコアに光を閉じ込めて導光する。これに対して、導光部材５は、例えば実質的に単一の屈折率の領域からなる。導光部材５は、空気等の周囲の雰囲気との屈折率差によって、光を閉じ込めて導光する。ただし、入射端面５ａには、反射防止膜が形成される場合があり、側面５０には、反射膜が形成される場合がある。

また、光ファイバは、全体としての剛性が比較的小さく、可撓性を有する。このため、光ファイバは、例えば片持ち状態で姿勢及び形状を維持することが困難である（自重で変形する）。すなわち、光ファイバは、全体として一定の形状を有していない。これに対して、導光部材５は、全体としての剛性が比較的大きく、可撓性を有していない。このため、導光部材５は、例えば片持ち状態で姿勢及び形状を維持可能である。すなわち、導光部材５は、全体として一定の形状（柱状）を有する。この点でも、導光部材５は、光ファイバと区別され得る。

以上のように構成された焼入れ用レーザ加工装置１００では、例えば、レーザヘッド１から出射されたレーザ光ＬがワークＷの表面に集光させられた状態で、レーザ光Ｌの照射領域がワークＷの表面に対して相対的に移動させられる。これにより、ワークＷの表面部分のうち選択された所望の部分に焼入れ加工が施される。レーザヘッド１から出射されたレーザ光Ｌの照射領域は、保持ロボット１０１によって、ワークＷの表面に対して位置調整されると共に移動させられる。

より具体的には、図６に示されるように、ワークＷの表面Ｗｓに照射されたレーザ光Ｌの照射領域Ｒ２の形状は、導光部材５の断面形状（軸線ＡＸに垂直な断面形状）に対応しており、例えば、導光部材５の断面形状と相似の関係にある。すなわち、照射領域Ｒ２は、第１凹部５１の内面５１ａに対応する第１縁部１５１、第２凹部５２の内面５２ａに対応する第２縁部１５２、第３凹部５３の内面５３ａに対応する第３縁部１５３、及び第４凹部５４の内面５４ａに対応する第４縁部１５４、並びに、複数の面取り面５５にそれぞれ対応する複数の面取り縁部１５５によって、画定されている。レーザ光Ｌの照射領域Ｒ２は、第１縁部１５１と第２縁部１５２とが互いに対向する方向、及び第３縁部１５３と第４縁部１５４とが互いに対向する方向のそれぞれの方向に移動させられる。なお、レーザ光Ｌの照射領域Ｒ２の形状は、導光部材５の断面形状に対応していれば、導光部材５の断面形状に対する拡大率又は縮小率がＹ軸方向とＺ軸方向とで互いに異なるものであってもよい。

ここで、レーザ光Ｌの照射領域Ｒ２における強度分布は、例えば四角柱状の導光部材を用いた場合に比べ、均一化されている。図７の（ａ）は、上述した導光部材５の出射端面５ｂにおけるレーザ光Ｌの強度分布を示す図であり、図７の（ｂ）は、四角柱状の導光部材の出射端面におけるレーザ光の強度分布を示す図である。なお、図７の（ａ）及び（ｂ）においては、色の濃淡によって強度の強弱が示されている。

図７の（ａ）に示されるように、上述した導光部材５を用いた場合には、第１凹部５１の内面５１ａ、第２凹部５２の内面５２ａ、第３凹部５３の内面５３ａ及び第４凹部５４の内面５４ａで、複数のレーザ光Ｌａのそれぞれが反射されることで、複数のレーザ光Ｌａのそれぞれが導光部材５内で拡散される。したがって、複数のレーザ光Ｌａの集合であるレーザ光Ｌの強度分布が導光部材５の出射端面５ｂにおいて均一化される。一方、図７（ｂ）に示されるように、四角柱状の導光部材を用いた場合には、コリメート光であるレーザ光Ｌａは、その強度の偏在が残存したまま、出射端面から出射される。特に、光源２として、複数の光出力部２４からレーザ光Ｌａを出射するものを採用した場合に、そのような傾向が強く、レーザ光Ｌの強度分布を均一化することは困難である。

焼入れ用レーザ加工装置１００では、上述したように均一化された強度分布を有するレーザ光Ｌの照射領域Ｒ２を、図６に示されるように、第１縁部１５１と第２縁部１５２とが互いに対向する方向に移動させる場合、照射領域Ｒ２のうち中間部１５０ａ及び両側部１５０ｂ，１５０ｃが焼入れ領域となる。中間部１５０ａは、照射領域Ｒ２のうち導光部材５の中間部５０ａに対応する領域である。側部１５０ｂは、照射領域Ｒ２のうち導光部材５の側部５０ｂに対応する領域であり、側部１５０ｃは、照射領域Ｒ２のうち導光部材５の側部５０ｃに対応する領域である。

一例として、レーザ光Ｌの照射領域Ｒ２のうち第１縁部１５１側を先行させて、レーザ光Ｌの照射領域Ｒ２をワークＷの表面Ｗｓに対して相対的に移動させる場合には、レーザ光Ｌの照射時間は、照射領域Ｒ２の中間部１５０ａに比べ、照射領域Ｒ２の両側部１５０ｂ，１５０ｃのそれぞれにおいて長くなる。したがって、図８に示されるように、レーザ光Ｌの照射によってワークＷの表面部分に入力されるエネルギー量（積算量）が、照射領域Ｒ２の中間部１５０ａに比べ、照射領域Ｒ２の両側部１５０ｂ，１５０ｃのそれぞれにおいて多くなる。照射領域Ｒ２の両側部１５０ｂ，１５０ｃのそれぞれにおいては、照射領域Ｒ２の中間部１５０ａに比べ、熱が周囲に逃げ易いため、結果として、レーザ光Ｌの照射によってワークＷの表面部分に入力されるエネルギー量のうち焼入れ加工に寄与するエネルギー量が焼入れ領域において均一化される。なお、図８に示されるレーザ光Ｌの照射領域Ｒ２の形状は、導光部材５の断面形状に対応しているものの、導光部材５の断面形状に対する拡大率又は縮小率がＹ軸方向とＺ軸方向とで互いに異なるものである。

また、照射領域Ｒ２のうち第１縁部１５１の両端部（両側部１５０ｂ，１５０ｃのそれぞれの外側の部分であって第１縁部１５１の両端の面取り縁部１５５を含む部分）においてワークＷに前加熱（当該両端部から加工対象物の加熱が開始されること）及び補助前加熱（照射領域Ｒ２の前側部分において焼入れ領域の外側から補助的に加熱すること）が施されるため、レーザ光Ｌの照射領域Ｒ２のうち両側部１５０ｂ，１５０ｃでの熱の逃げ（レーザ光Ｌの照射領域Ｒ２の相対的な移動方向に直交する方向における外側への熱の逃げ）が抑制される。更に、照射領域Ｒ２のうち第２縁部１５２の両端部（両側部１５０ｂ，１５０ｃのそれぞれの外側の部分であって第２縁部１５２の両端の面取り縁部１５５を含む部分）においてワークＷに後加熱（当該両端部にて加工対象物の加熱が終了すること）及び補助後加熱（照射領域Ｒ２の後側部分において焼入れ領域の外側から補助的に加熱すること）が施されるため、レーザ光Ｌの照射領域Ｒ２のうち両側部１５０ｂ，１５０ｃで逃げた熱量の少なくとも一部が補われる。このような補助前加熱及び補助後加熱は、実際の焼入れ領域の外側の領域を加熱するものであって、図８に示されるハッチング部分のエネルギー量によって実現される。

以上により、焼入れ用レーザ加工装置１００では、ワークＷの表面部分のうち選択された所望の部分に均一な焼入れ加工が施される。レーザ光Ｌの照射領域Ｒ２のうち、第２縁部１５２側を先行させる場合、第３縁部１５３側を先行させる場合、及び第４縁部１５４側を先行させる場合のそれぞれの場合においても、同様である。なお、均一な焼入れとは、焼入れ領域（上述した例では、照射領域Ｒ２のうち中間部１５０ａ及び両側部１５０ｂ，１５０ｃ）のうち、ワークＷに対する照射領域Ｒ２の移動方向に垂直な方向における両端部まで、同等の深さ等、同等の程度で焼入れが施されることをいう。

以上説明したように、焼入れ用レーザ加工装置１００では、光源２の各光出力部２４から出力されて集光素子３によって集光された複数のレーザ光Ｌａが、導光部材５によって導光される。導光部材５では、第１凹部５１の内面５１ａ、第２凹部５２の内面５２ａ、第３凹部５３の内面５３ａ及び第４凹部５４の内面５４ａで、複数のレーザ光Ｌａのそれぞれが反射されることで、複数のレーザ光Ｌａのそれぞれが導光部材５内で拡散される。そのため、ワークＷに照射されるレーザ光Ｌの照射領域Ｒ２における強度分布は、複数のレーザ光Ｌａが例えば四角柱状の導光部材５によって導光される場合に比べ、均一化される。したがって、例えばレーザ光Ｌの照射開始位置で入熱過多となる現象が生じ難くなる。また、焼入れ用レーザ加工装置１００では、Ｚ軸における導光部材５の幅が、中間部５０ａに比べ、両側部５０ｂ，５０ｃのそれぞれにおいて大きくなっており、レーザ光Ｌの照射領域Ｒ２が、Ｚ軸方向に対応する方向に沿って、ワークＷに対して相対的に移動させられる。これにより、レーザ光Ｌの照射時間は、照射領域Ｒ２の中間部１５０ａに比べ、照射領域Ｒ２の両側部１５０ｂ，１５０ｃのそれぞれにおいて長くなる。したがって、レーザ光Ｌの照射によってワークＷに入力されるエネルギー量が、照射領域Ｒ２の中間部１５０ａに比べ、照射領域Ｒ２のうち熱が逃げ易い両側部１５０ｂ，１５０ｃのそれぞれにおいて多くなる。その結果、レーザ光Ｌの照射によってワークＷに入力されるエネルギー量のうち焼入れ加工に寄与するエネルギー量が均一化される。このことは、レーザ光Ｌの照射領域Ｒ２が、Ｙ軸方向に対応する方向に沿って、ワークＷに対して相対的に移動させられる場合にも、同様である。以上により、焼入れ用レーザ加工装置１００によれば、導光部材５という簡易な構成を用いて、ワークＷに均一な焼入れ加工を施すことができる。

以下、入熱過多となる現象について、より具体的に説明する。特許文献１に記載されたレーザ加工装置では、計算機ホログラムを用いることで、長軸方向に沿ってビーム中心からビーム両端に向けて一次関数的に増加するＭ字形状の強度分布形状を有するように、レーザビームを整形する。そして、長軸方向に垂直な方向に沿って、レーザビームの照射領域がワークに対して相対的に移動させられる。しかしながら、レーザビームの照射開始位置及び照射終了位置、並びに、レーザビームの移動方向転換位置（屈曲するようにレーザビームの移動方向を変える位置）では、ワークに対するレーザビームの移動速度が遅くなるため、レーザビームの照射時間が長くなり、その結果、Ｍ字形状の強度分布形状の頂部において入熱過多となる現象が生じ易くなる。したがって、特許文献１に記載されたレーザ加工装置は、レーザビームの照射開始位置及び照射終了位置、並びに、レーザビームの移動方向転換位置がワーク上に存在するような焼入れ加工には、不向きである。これに対し、焼入れ用レーザ加工装置１００では、ワークＷに照射されるレーザ光Ｌの照射領域Ｒ２における強度分布が均一化されているため、レーザ光Ｌの照射開始位置及び照射終了位置、並びに、レーザ光Ｌの移動方向転換位置がワークＷ上に存在するような場合にも、各位置において入熱過多となる現象が生じるのを抑制しつつ、ワークＷに均一な焼入れ加工を施すことができる。

また、焼入れ用レーザ加工装置１００では、レーザ光Ｌの照射領域Ｒ２のうち、第１縁部１５１側を先行させる場合、照射領域Ｒ２のうち第１縁部１５１の両端部においてワークＷに前加熱が施されるため、レーザ光Ｌの照射領域Ｒ２のうち両側部１５０ｂ，１５０ｃでの熱の逃げが抑制される。更に、レーザ光Ｌの照射領域Ｒ２のうち、第１縁部１５１側を先行させる場合、照射領域Ｒ２のうち第２縁部１５２の両端部においてワークＷに後加熱が施されるため、レーザ光Ｌの照射領域Ｒ２のうち両側部１５０ｂ，１５０ｃで逃げた熱量の少なくとも一部が補われる。加えて、照射領域Ｒ２のうち第３縁部１５３及び第４縁部１５４のそれぞれの両端部においてワークＷに補助前加熱及び補助後加熱が施されるため、レーザ光Ｌの照射領域Ｒ２のうち両側部１５０ｂ，１５０ｃでの熱の逃げが抑制され、また、レーザ光Ｌの照射領域Ｒ２のうち両側部１５０ｂ，１５０ｃで逃げた熱量の少なくとも一部が補われる。これらも、均一な焼入れ加工の実現に大きく寄与している。レーザ光Ｌの照射領域Ｒ２のうち、第２縁部１５２側を先行させる場合、第３縁部１５３側を先行させる場合、及び第４縁部１５４側を先行させる場合のそれぞれの場合においても、同様である。

また、焼入れ用レーザ加工装置１００では、第１凹部５１の内面５１ａ、第２凹部５２の内面５２ａ、第３凹部５３の内面５３ａ及び第４凹部５４の内面５４ａのそれぞれが、軸線ＡＸ側に凸となるように湾曲している。この構成により、レーザ光Ｌの照射によってワークＷに入力されるエネルギー量を連続的に変化させることができるため、より均一な焼入れ加工をワークＷに施すことができる。

また、焼入れ用レーザ加工装置１００では、側面５０が、第１凹部５１の内面５１ａ、第２凹部５２の内面５２ａ、第３凹部５３の内面５３ａ及び第４凹部５４の内面５４ａ、並びに、軸線ＡＸの反対側に凸となるように湾曲した複数の面取り面５５によって、構成されている。この構成により、導光部材５に外力が作用したとしても、応力集中が生じるのを抑制することができる。

また、焼入れ用レーザ加工装置１００では、第１凹部５１、第２凹部５２、第３凹部５３及び第４凹部５４のそれぞれが、入射端面５ａと出射端面５ｂとの間に渡って形成されている。この構成により、ワークＷに照射されるレーザ光Ｌの照射領域Ｒ２における強度分布が、より一層均一化される。また、所望の形状を有するレーザ光Ｌの照射領域Ｒ２を確実に得ることができる。

また、レーザヘッド１によれば、上述したように、レーザ光Ｌの照射領域Ｒ２を、Ｚ軸方向及びＹ軸方向のそれぞれに対応する方向に沿って、ワークＷに対して相対的に移動させることで、簡易な構成でワークＷに均一な焼入れ加工を施すことができる。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではない。

例えば、導光部材５の断面形状は、四角形状をベースとして、少なくともその１辺を切り欠くように凹部が形成された形状であればよい。導光部材５の断面形状に対応するレーザ光Ｌの照射領域Ｒ２も、四角形状をベースとして、少なくともその１辺を切り欠くように凹部が形成された形状であればよい。

また、図９の（ｂ）に示されるように、導光部材５の側面５０に、第１凹部５１及び第２凹部５２が形成されており、第３凹部５３及び第４凹部５４が形成されていなくてもよい。また、図９の（ｃ）に示されるように、導光部材５の側面５０に、断面Ｖ字状の溝として第１凹部５１及び第２凹部５２が形成されていてもよいし、或いは、図９の（ｄ）に示されるように、導光部材５の側面５０に、断面矩形状の溝として第１凹部５１及び第２凹部５２が形成されていてもよい。第３凹部５３及び第４凹部５４が形成される場合には、それらの形状についても、同様である。なお、中間部５０ａ及び両側部５０ｂ，５０ｃは、上述したように捉えることができるが、図９の（ｄ）に示されるように、第１凹部５１及び第２凹部５２の少なくとも１つを画定するように１対の段差が形成されている場合には、１対の段差の内側に対応する領域を中間部５０ａと捉え、１対の段差の外側に対応する領域を両側部５０ｂ，５０ｃと捉えてもよい。

また、図９の（ａ）に示されるように、導光部材５の側面５０に、第１凹部５１が形成されており、第２凹部５２、第３凹部５３及び第４凹部５４が形成されていなくてもよい。その場合、レーザ光Ｌの照射領域Ｒ２のうち第１凹部５１に対応する領域が先行した状態で、レーザ光Ｌの照射領域Ｒ２がワークＷに対して相対的に移動させられることが好ましい。その理由は、レーザ光Ｌの照射領域Ｒ２のうち両側部５０ｂ，５０ｃのそれぞれに対応する領域では熱が逃げ易いものの、レーザ光Ｌの照射領域Ｒ２のうち第１凹部５１に対応する領域が先行させられることで、当該領域の両端部においてワークＷに前加熱が施されるため、レーザ光Ｌの照射領域Ｒ２のうち両側部５０ｂ，５０ｃのそれぞれに対応する領域での熱の逃げが抑制され、ワークＷに均一な焼入れ加工が施されるからである。

つまり、導光部材５の側面５０に少なくとも第１凹部５１が形成されていれば、導光部材５では、第１凹部５１の内面５１ａで、複数のレーザ光Ｌａのそれぞれが反射されるため、ワークＷに照射されるレーザ光Ｌの照射領域Ｒ２における強度分布は、複数のレーザ光Ｌａが例えば四角柱状の導光部材５によって導光される場合に比べ、均一化される。したがって、例えばレーザ光Ｌの照射開始位置で入熱過多となる現象が生じ難くなる。また、導光部材５の側面５０に少なくとも第１凹部５１が形成されていれば、Ｚ軸における導光部材５の幅が、中間部５０ａに比べ、両側部５０ｂ，５０ｃのそれぞれにおいて大きくなる。そのため、Ｚ軸方向に対応する方向に沿って、レーザ光Ｌの照射領域Ｒ２をワークＷに対して相対的に移動させることで、レーザ光Ｌの照射によってワークＷに入力されるエネルギー量のうち焼入れ加工に寄与するエネルギー量が均一化される。以上により、導光部材５の側面５０に少なくとも第１凹部５１が形成されていれば、ワークＷに均一な焼入れ加工を施すことができる。

また、上記実施形態では、第１凹部５１、第２凹部５２、第３凹部５３及び第４凹部５４が、入射端面５ａと出射端面５ｂとの間に渡って形成されていたが、本発明は、これに限定されない。第１凹部５１、第２凹部５２、第３凹部５３及び第４凹部５４は、少なくとも出射端面５ｂに至っていればよい。

また、上記実施形態では、互いに交差する位置関係にある内面５１ａ，５２ａ，５３ａ，５４ａのそれぞれに接続された面取り面５５が軸線ＡＸの反対側に凸となるように湾曲していたが、本発明は、これに限定されない。面取り面５５は、平坦面として形成されていてもよい。

また、図１０に示されるように、レーザヘッド１において、集光素子３と導光部材５との間に、レーザ光Ｌの照射領域Ｒ２における強度分布の更なる均一化を図るための導光部材７が配置されていてもよい。その場合、集光素子３は、レーザ光のスポット（複数のレーザ光Ｌａのスポットの集合）を導光部材７の入射端面上に位置させてもよいし、或いは、レーザ光のスポットを当該入射端面の手前若しくは奥（すなわち、導光部材７内）に位置させてもよい。

また、上記実施形態では、レーザ光Ｌの照射領域Ｒ２がワークＷに対して相対的に移動するように、制御部１０５が保持ロボット１０１の動作を制御したが、本発明は、これに限定されない。制御部１０５は、保持ロボット１０１に代えて支持ステージ１０２の動作を制御してもよいし、或いは、保持ロボット１０１及び支持ステージ１０２の両方の動作を制御してもよい。

また、上記実施形態では、光源２、集光素子３、導光部材５及び集光素子４が、Ｘ軸方向に沿ってこの順に配列されていたが、本発明は、これに限定されない。例えば、複数の光出力部２４からＸ軸方向に沿って出力された複数のレーザ光ＬａをＺ軸方向に沿うようにミラーで反射し、Ｚ軸方向に平行な軸線ＡＸに沿って延在するように配置された導光部材５に複数のレーザ光Ｌａを入射させるようにしてもよい。

１…レーザヘッド（焼入れ用レーザヘッド）、２…光源、３…集光素子、５…導光部材、５ａ…入射端面、５ｂ…出射端面、２４…光出力部、５０…側面、５０ａ…中間部、５０ｂ，５０ｃ…側部、５１…第１凹部、５１ａ…内面、５２…第２凹部、５２ａ…内面、５３…第３凹部、５３ａ…内面、５４…第４凹部、５４ａ…内面、５５…面取り面、１００…焼入れ用レーザ加工装置、１０１…保持ロボット（保持部）、１０２…支持ステージ（支持部）、１０５…制御部、ＡＸ…軸線（所定の軸線）、Ｌ，Ｌａ…レーザ光、Ｒ２…照射領域、Ｗ…ワーク（加工対象物）。

Claims (10)

1. 加工対象物を支持する支持部と、
   前記加工対象物にレーザ光を照射するレーザヘッドと、
   前記レーザヘッドを保持する保持部と、
   前記支持部及び前記保持部の少なくとも１つの動作を制御する制御部と、を備え、
   前記レーザヘッドは、
   互いに交差する第１方向及び第２方向に沿って２次元的に配列された複数の光出力部を有し、前記第１方向及び前記第２方向に交差する第３方向に沿って前記光出力部のそれぞれから前記レーザ光を出力する光源と、
   前記光源からの前記レーザ光を集光する集光素子と、
   所定の軸線上において互いに対向する入射端面及び出射端面、並びに、前記軸線を包囲する側面を有し、前記集光素子によって集光された前記レーザ光を導光する柱状の導光部材と、を有し、
   前記側面には、前記軸線に沿って延在する第１凹部が形成されており、
   前記軸線に交差する第４方向における前記導光部材の幅は、前記軸線及び前記第４方向に交差する第５方向における中間部に比べ、前記第５方向における両側部のそれぞれにおいて大きくなっており、
   前記制御部は、前記レーザ光の照射領域において前記第４方向に対応する方向に沿って、前記照射領域が前記加工対象物に対して相対的に移動するように、前記支持部及び前記保持部の少なくとも１つの動作を制御する、焼入れ用レーザ加工装置。
2. 前記制御部は、前記照射領域のうち前記第１凹部に対応する領域が先行した状態で、前記照射領域が前記加工対象物に対して相対的に移動するように、前記支持部及び前記保持部の少なくとも１つの動作を制御する、請求項１に記載の焼入れ用レーザ加工装置。
3. 前記側面には、前記軸線に沿って延在し且つ前記第４方向において前記第１凹部に対向する第２凹部が更に形成されている、請求項１又は２に記載の焼入れ用レーザ加工装置。
4. 前記第１凹部の内面及び前記第２凹部の内面のそれぞれは、前記軸線側に凸となるように湾曲している、請求項３に記載の焼入れ用レーザ加工装置。
5. 前記第１凹部及び前記第２凹部のそれぞれは、前記入射端面と前記出射端面との間に渡って形成されている、請求項３又は４に記載の焼入れ用レーザ加工装置。
6. 前記側面には、前記軸線に沿って延在し且つ前記第５方向において互いに対向する第３凹部及び第４凹部が更に形成されている、請求項３〜５のいずれか一項に記載の焼入れ用レーザ加工装置。
7. 前記第３凹部の内面及び前記第４凹部の内面のそれぞれは、前記軸線側に凸となるように湾曲している、請求項６に記載の焼入れ用レーザ加工装置。
8. 前記第３凹部及び前記第４凹部のそれぞれは、前記入射端面と前記出射端面との間に渡って形成されている、請求項６又は７に記載の焼入れ用レーザ加工装置。
9. 前記側面は、前記第１凹部の内面、前記第２凹部の内面、前記第３凹部の内面及び前記第４凹部の内面、並びに、互いに交差する位置関係にある前記内面のそれぞれに接続され且つ前記軸線の反対側に凸となるように湾曲した複数の面取り面によって、構成されている、請求項６〜７のいずれか一項に記載の焼入れ用レーザ加工装置。
10. 互いに交差する第１方向及び第２方向に沿って２次元的に配列された複数の光出力部を有し、前記第１方向及び前記第２方向に交差する第３方向に沿って前記光出力部のそれぞれからレーザ光を出力する光源と、
    前記光源からの前記レーザ光を集光する集光素子と、
    所定の軸線上において互いに対向する入射端面及び出射端面、並びに、前記軸線を包囲する側面を有し、前記集光素子によって集光された前記レーザ光を導光する柱状の導光部材と、を有し、
    前記側面には、前記軸線に沿って延在する第１凹部が形成されており、
    前記軸線に交差する第４方向における前記導光部材の幅は、前記軸線及び前記第４方向に交差する第５方向における中間部に比べ、前記第５方向における両側部のそれぞれにおいて大きくなっている、焼入れ用レーザヘッド。