JPH0317881B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、レーザビームを利用してワークの表
面の特性を改善するためのレーザ表面処理装置に
係り、さらに詳細には、その光学装置に関する。

（従来の技術） ワークの表面の特性を改善するためのレーザ表
面処理装置の１つとして、レーザ焼入れ装置があ
る。従来、ワークの表面にレーザ焼入れを行なう
場合、焦点はずし等を行なつて、スポツト径が所
望の径となるようにしていた。しかしレーザビー
ムを単に所望の径に集束したのみでは、そのスポ
ツト面におけるレーザビームの強度分布が均一で
ないために、ワークの表面処理を均質的に行なう
上において問題があつた。そこで従来において
は、セグメントミラーを用いて、焦点面における
レーザビームの強度分布を均一化する技術が提案
されている。

（発明が解決しようとする問題点） 上述のように、セグメントミラーを用いること
により、焦点面におけるレーザビームの強度分布
を均一化することができたが、従来においては、
ワークの表面処理すべき部位をセグメントミラー
の焦点面に一致するように位置決めしていた。し
たがつて、ワークが平板のごとき場合にはさ程の
問題がないが、例えばワークの上面にうねりを有
したり、或は段差部を有するような場合には、セ
グメントミラーの焦点面とワークの上面とを一致
せしめることが困難であるという問題点があつ
た。

［発明の構成］ （問題点を解決するための手段） 前述のごとき従来の問題点を解決するために、
本発明は、レーザ発振器から発振されたレーザビ
ームを、焦点においての断面形状が１部に平行状
部分を含む断面形状となるように形成し、かつ上
記焦点におけるビームの強度分布がほぼ均一であ
るようにレーザビームを整形するインテグレーシ
ヨンミラーと、このインテグレーシヨンミラーに
よつて整形されたレーザビームを平行光線化して
ワークに照射するための集光レンズとを備えてな
るものである。

（作用） 前述の構成により、レーザ発振器から発振され
たレーザビームは、インテグレーシヨンミラーの
作用によつて、焦点面の断面形状が、１部に平行
状部を含む形状に形成され、かつ焦点面における
レーザの強度分布が均一化される。そして、イン
テグレーシヨンミラーによつて整形されたレーザ
ビームは集光レンズによつて平行光線化されてワ
ークに照射されるので、ワーク表面にうねりや段
差部が存在するような場合であつても均質的な表
面処理を行なうことができるものである。

（実施例） 第１図、第２図を参照するに、本発明の実施例
に係るレーザ表面処理装置１は、表面処理すべき
ワークＷを支承するワークテーブル３を備え、か
つワークテーブル３の側方位置には、ワークＷへ
照射すべきレーザビームLBを発振するレーザ発
振器５を備えている。このレーザ発振器５は、一
般的なものでよいので、その詳細については説明
も省略する。

上記ワークテーブル３は、Ｘ軸方向（第１図、
第２図において左右方向）に移動自在な移動テー
ブル７および移動テーブル７に支承されて水平に
回転自在な回転テーブル９を備えてなるもので、
この回転テーブル９上にワークＷが適宜の取付
具、例えばマグネツトチヤツク等（図示省略）を
介して水平に取付けられる。本実施例において、
上記ワークＷは、適数箇所に孔Ｈを備えた円盤を
例示してある。

上記構成において、移動テーブル７の移動位置
決め及び回転テーブル９の回転および回転位置決
め等を自動的に行なうことにより、ワークＷの所
望の孔Ｈを所定位置に位置決めできるものであ
る。

第１図、第２図より理解されるように、前記ワ
ークテーブル３の移動領域の側方位置にはコラム
１１が立設してあり、このコラム１１には、ワー
クテーブル３の移動領域の上方を横切つてＹ軸方
向に延伸したガイド部材１２が片持式に支承され
ている。上記ガイド部材１２には、前記レーザ発
振器５からのレーザビームLBを前記ワークＷの
所望位置へ照射する加工ヘツド１３がＹ軸方向へ
移動自在に支承されている。この加工ヘツド１３
は、前記コラム１１に装着したサーボモータ１５
の駆動によつてＹ軸方向へ移動、位置決めされる
ものである。

上記構成により、加工ヘツド１３をＹ軸方向に
移動位置決めしてワークＷの所望位置と対応せし
め、レーザ発振器５からのレーザビームLBをワ
ークＷに照射することにより、ワークＷの所望位
置の焼入れが行なわれ得ることが理解されよう。

ところで、ワークＷの表面にレーザ焼入れを行
なうに当り、ワーク表面の反射率が高い場合に
は、ワーク表面に適宜のコーテイング処理を行な
う必要がある。したがつて本実施例においては、
前記ワークテーブル３の移動領域の側方位置に、
表面コーテイング装置１７が配置してある。この
表面コーテイング装置１７は、例えばリン酸マン
ガン、カーボン粉末、炭化硅素等のごとき適宜の
コーテイング材料をワークＷの所望表面に塗布す
る作用をなすもので、例えば一般的な塗装ロボツ
ト等よりなるものである。

ワークＷの所望箇所にレーザ焼入れを行なうに
際し、レーザビームLBの断面形状を、１部に平
行状部分を含む断面形状、例えば四角形状とな
し、かつ断面形状内におけるビームの強度分布を
ほぼ均一化してレーザ焼入れを均一的に行なうた
めに、前記加工ヘツド１３にはビーム変形手段が
設けられている。

より詳細には、第３図に示されるように、前記
加工ヘツド１３内には垂直な支持板１９が設けら
れており、この支持板１９には、前記レーザ発振
器５から発振されたレーザビームLBを下方向に
反射する第１のベンドミラー２１が装着してあ
る。また、支持板１９の下部付近には、上記第１
のベンドミラー２１に対応してインテグレーシヨ
ンミラー２３が反射方向を微調節自在に装着して
ある。

上記インテグレーシヨンミラー２３は、レーザ
発振器５からのレーザビームLBの断面形状を、
本実施例においては丸から四角形状に変形すると
共に、レーザビームLBの断面形状内におけるビ
ームの強度分布をほぼ均一化するためのもので、
凹面基板２５上に矩形状の平面境２７を多数取付
けて構成してある。すなわち、多数の平面鏡２７
は、焦点面が四角形状になり、かつビーム強度が
均一化するように、それぞれ適宜に配置してあ
る。したがつて、換言すれば、インテグレーシヨ
ンミラー２３の焦点面において、レーザビーム
LBの断面形状は四角形状となり、かつビーム強
度は断面の領域に亘つて均一的になる。なお、上
記インテグレーシヨンミラー２３の焦点距離は大
きく設定してある。

上記インテグレーシヨンミラー２３において、
凹面基板２５を支持したサポートプレート２９
は、それぞれ付勢方向の異なる複数のスプリング
３１および複数のボルト３３を介して、支持板１
９に取付けたブラケツト３５に揺動可能に支持さ
れている。また、上記サポートプレート２９は、
ブラケツト３５に装着した複数のマイクロメータ
３７によつて微調節自在に支承されている。した
がつて、マイクロメータ３７を操作することによ
り、レーザビームLBの反射方向を微調節するこ
とができる。

さらに前記支持板１９の上部付近には、第２の
ベンドミラー３９が装着してある。この第２のベ
ンドミラー３９は、前記インテグレーシヨンミラ
ー２３からのレーザビームLBを垂直下方向に反
射するもので、インテグレーシヨンミラー２３の
焦点距離内に配置してあり、反射方向を微調節自
在に設けられている。第２のベンドミラー３９を
微調節するための構成は、前記インテグレーシヨ
ンミラー２３の構成と同様の構成であるので詳細
については説明を省略する。

上記構成は、インテグレーシヨンミラー２３を
下側に配置してレーザビームLBを一担上方向に
反射し、上記インテグレーシヨンミラー２３の焦
点距離内に配置した第２のベンドミラー３９によ
つてレーザビームLBを垂直下方向に反射する構
成であるので、インテグレーシヨンミラー２３の
焦点距離が大きい場合であつても、長大な構成と
なることなしに、全体を比較的コンパクトにまと
めることができる。

上記第２のベンドミラー３９の下方位置には、
レーザビームLBを平行光線化するために長焦点
の集光レンズ４１が着脱交換可能に配置してあ
る。レーザビームLBを平行光線化する場合、上
記集光レンズ４１として凹レンズを使用し、その
焦点位置は、前記インテグレーシヨンミラー２３
の焦点に合わせてある。したがつて、この場合、
凹レンズを経たレーザビームLBは断面形状が四
角形状の平行光線となつて垂直下方向に照射され
ることとなる。また、集光レンズ４１として凸レ
ンズを着脱交換して使用する場合には、スポツト
径を任意に変更することができる。

集光レンズ４１として種々の焦点距離の凹レン
ズあるいは凸レンズを着脱交換して使用するに当
り、集光レンズ４１を支持したレンズホルダ４３
を支持板１９に上下位置調節自在に取付けること
が望ましい。このように構成することにより、例
えばレーザビームLBを平行光線化すべく、焦点
距離の異なる凹レンズを交換することにより、レ
ーザビームLBの径を種々変更することができる。
なお、集光レンズ４１を着脱交換自在な構成や、
レンズホルダ４３を上下位置調節する構成は、
種々の構成を採用し得るものであるので、その詳
細については説明を省略する。

レーザビームLBをワークＷの周面あるいはワ
ークＷの孔Ｈの内周面へ照射するために、前記集
光レンズ４１の下方位置には、レーザビームLB
を水平に反射するベンドミラー４５を下端部に備
えたミラー支持部材４７が上下動自在かつ水平に
回転自在に支承されている。

より詳細には、第４図に示されるように、前記
支持板１９の背面には、軸承ブロツク４９を介し
てボールネジのごとき螺子杆５１が垂直にかつ回
転自在に支承されている。この螺子杆５１に螺合
したナツト部材５３を備えた昇降ブラケツト５５
が、支持板１９の背面に垂直に設けられたガイド
部材５７に上下動自在に案内支持されている。し
たがつて、前記螺子杆５１と出力軸が連結され、
支持板１９に装着されたサーボモータ５９の駆動
により、昇降ブラケツト５５が上下動されること
となる。

上記昇降ブラケツト５５の下部に水平に取付け
た支持ブラケツト６１に前記ミラー支持部材４７
が支承されている。すなわち、上記支持ブラケツ
ト６１は、垂直なレーザビームLBの光路を横切
る位置迄延伸しており、レーザビームLBに対応
する位置には透孔６３が穿設してある。この支持
ブラケツト６１の下面には、ボス部６５を中央部
に備えたフランジ部材６７が取付けてあり、フラ
ンジ部材６７の下部には円筒形状の外筒部材６９
が取付けてある。この外筒部材６９の内部には環
状の内筒部材７１が回転自在に支承されている。

上記内筒部材７１の上部には、前記フランジ部
材６７のボス部６５に回転自在に支承された従動
プーリ７３が一体的に取付けてある。この従動プ
ーリ７３に掛回したベルト７５は、前記支持ブラ
ケツト６１に装着したモータ７７に取付けた駆動
プーリ７９に掛回してある。上記内筒部材７１の
下部には、環状の水冷室８１を備えた環状部材８
３が一体的に取付けてあり、この環状部材８３の
下部にパイプ状の前記ミラー支持部材４７が取付
けてある。

上記ミラー支持部材４７の下部には、例えば銅
のごとく熱伝導性の良い材料よりなるミラー受台
８５が取付けてあり、このミラー受台８５に前記
ベンドミラー４５が支持されている。上記ベンド
ミラー４５は、本実施例においては45゜の傾斜を
もつて保持されており、ミラー支持部材４７の１
部には、ベンドミラー４５によつて反射されたレ
ーザビームLBの出口が形成してある。

上記ベンドミラー４５を冷却するために、前記
ミラー支持部材４７にはヒートパイプ８７が支持
されている。このヒートパイプ８７の一端部は、
前記ミラー受台８５およびベンドミラー４５に接
触してあり、このヒートパイプ８７の他端部は前
記水冷室８１内に臨ませてある。したがつて、ベ
ンドミラー４５の冷却が効果的に行なわれること
となる。

以上のごとき構成において、ワークテーブル３
上に載置されたワークＷの孔Ｈとミラー支持部材
４７とを対向せしめた後、サーボモータ５９の駆
動により昇降ブラケツト５５を下降せしめると、
ミラー支持部材４７の下部が前記孔Ｈに挿入され
る。ミラー支持部材４７をワークＷの孔Ｈ内に挿
入し、所望位置に位置決めした後に、レーザ発振
器５からレーザビームLBを発振すると、レーザ
ビームLBは断面形状が四角形状の平行光線に変
形された後に、ベンドミラー４５に入射される。
したがつてベンドミラー４５により反射され、孔
Ｈの内周面を照射する。

レーザビームLBが孔Ｈの内周面を照射時に、
モータ７７を駆動すると、ミラー支持部材４７が
回転されて、レーザビームLBが孔Ｈの内周面を
一周することとなる。したがつてワークＷの孔Ｈ
の内周面に焼入れを行なうことができる。

また、前記ミラー支持部材４７をワークＷの外
周面に対向せしめ、ワークＷを回転しつつレーザ
ビームLBを外周面に照射することにより、ワー
クＷの外周面にレーザ焼入れを行なうことができ
る。

前述のごとくワークＷの孔Ｈの内周面あるいは
ワークＷの外周面のレーザ焼入れを行なうに際
し、集光レンズ４１に凹レンズを使用してレーザ
ビームLBを平行光線化した場合には、ベンドミ
ラー４５とワークＷの照射位置との距離に変化が
あつても、照射幅の変化が極めて少なく、かつ照
射面は均一的に加熱されることとなり、均質的な
焼入れを容易に行なうことができる。

また、集光レンズ４１として凸レンズを使用す
る場合には、ワークＷの処理面に所望のスポツト
径でレーザビームLBを照射できることとなる。

［発明の効果］ 以上のごとき実施例の説明より理解されるよう
に、要するに本発明の要旨は特許請求の範囲に記
載のとおりでるから、その記載より明らかなよう
に、本発明において、レーザ発振器５から発振さ
れたレーザビームLBは、インテグレーシヨンミ
ラー２３によつて焦点においての断面形状が例え
ば四角形状のごとく平行状部分を含む断面形状に
形成され、かつビームの強度分布を均一化されて
いるものである。そして、インテグレーシヨンミ
ラー２３によつて整形されたレーザビームLBは
集光レンズ４１によつて平行光線化されてワーク
Ｗに照射されるものである。

したがつて、ワークＷの表面にレーザビーム
LBを照射して例えば焼入れを行なうとき、ワー
クＷの表面にうねりや段差部が存在するような場
合であつても焦点位置の調節を行なうことなしに
均質的に焼入れを行なうことができるものであ
る。また、例えば円盤の外周面に焼入れを行なう
ごとく、焼入れ開始の位置と終点の位置とを接続
するとき、レーザビームの平行状部分が接触する
態様、例えば四角形を隣り合わせた態様とするこ
とができるので、レーザビームLBの断面形状が
円形の場合よりも均質な焼入れを行なうことがで
きるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を実施した装置の正面図、第２
図は同平面図である。第３図は第１図における
−線に沿つた拡大断面図、第４図は第３図の左
側面図で１部省略してある。 ５……レーザ発振器、１３……加工ヘツド、２
３……インテグレーシヨンミラー、４１……集光
レンズ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ レーザ発振器５から発振されたレーザビーム
   LBを、焦点においての断面形状が１部に平行状
   部分を含む断面形状となるように形成し、かつ上
   記焦点におけるビームの強度分布がほぼ均一であ
   るようにレーザビームLBを整形するインテグレ
   ーシヨンミラー２３と、このインテグレーシヨン
   ミラー２３によつて整形されたレーザビームLB
   を平行光線化してワークＷに照射するための集光
   レンズ４１とを備えてなることを特徴とするレー
   ザ表面処理装置における光学装置。