JPH04127254U - 円筒内面のレーザ焼入装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 全体の作業時間を長くすることなく、筒体の
内面における任意の点へ、低パワー密度のレーザ光を、
最適条件で長時間照射しうるようにする。 【構成】 複合レンズ２０の中央部の２１を通るレーザ
光２と、複合レンズ２０の外周部２２を通るレーザ光２
とは、互いに区分されて、それぞれ異なる焦点Ｏ１，Ｏ
２に向かって集束し、その途中で、反射面２３ａを二次
元凹面とした反射鏡２３により反射させることにより、
筒体６の中心軸線Ｌ方向のみにさらに集束され、筒体６
の内面６ａは、楕円形又は長円形の全面照射部２４ａ
と、同心状のリング状照射部２５ａとを重合したレーザ
スポット形状２６ａにより照射され、安定した深いレー
ザ焼入れが可能となる。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

本考案は、例えば内燃機関のシリンダブロックのライナー面のような円筒体の 内面をレーザ焼入れする装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】

従来のこの種の装置としては、例えば図８に示すようなものがある。

【０００３】 この装置は、レーザ発振器１により放射されたレーザ光２を、平面反射鏡３と 集束用の凸レンズ４とを備える照射光学系５により、焼入れしようとする筒体６ 内に導くとともに、筒体６内に配設した平滑な反射鏡７により、筒体６の内面６ ａに向かって反射し、かつ反射鏡７を、回転手段８により、筒体６の中心軸線Ｌ 又はそれと平行な軸線まわりに回転させることにより、筒体６の内面６ａをレー ザ光２により円周方向に走査して焼入れするようになっている。

【０００４】 回転手段８は、筒体６内に挿入した回転筒９の底部に反射鏡７を支持し、この 回転筒９を、その外周に形成したウォームホイール１０とそれに噛合するウォー ム１１とを介して、適宜の支持体（図示略）に設けたモータ１２により回転させ るような構成としてある。１３は、回転筒９に穿設したレーザ光２通過用の窓孔 である。

【０００５】 なお、反射鏡７を筒体６の中心軸線Ｌまわりに回転させるだけでなく、筒体６ の中心軸線Ｌ方向にも移動させることにより、レーザ光２を筒体６の内面６ａに 螺旋状に走査させること、及び反射鏡７を中心軸線Ｌまわりに回転させたり、同 軸線Ｌ方向に移動させたりする具体的手段、並びに、回転する反射鏡７の外側に 、複数の透光部と遮光部とを円周方向に交互に配設した円筒状遮光部材（図示略 ）を設け、これを反射鏡７の１回転当りに、透光部（又は遮光部）の２分の１ピ ッチ分だけ中心軸線Ｌまわりに回動させることにより、筒体６の内面６ａに、照 射部と非照射部とが螺旋方向に断続し、全体として疑似市松模様を呈するパター ンでレーザ焼入れすること等が開示されている。

【０００６】

【考案が解決しようとする課題】

上述のようなレーザ焼入装置においては、筒体６の内面６ａに照射するレーザ 光２のパワー密度が高過ぎると、筒体６の内面６ａが溶融してしまうので、安定 した焼入れを行うためには、低パワー密度のレーザ光を長時間照射することが好 ましい。

【０００７】 しかし、１個所でのレーザ光２の照射時間を大とすると、１個の筒体６のレー ザ焼入れを完了するまでに多大な時間を要し、作業の迅速化を図れないという問 題点が生じる。

【０００８】 本考案は、従来の技術が有する上記のような問題点に鑑み、全体の作業時間を 長くすることなく、筒体の内面における任意の点へ、低パワー密度のレーザ光を 、最適な条件で長時間照射しうるように改良した円筒内面のレーザ焼入装置を提 供することを目的としている。

【０００９】

【課題を解決するための手段】

上記目的を達成するため、本考案は、レーザ発振器により放射されたレーザ光 を、照射光学系により、焼入れしようとする筒体内に導くとともに、前記筒体内 に配設した反射鏡により、筒体の内面に向かって反射し、かつ前記反射鏡を回転 手段により、筒体の中心軸線と平行な軸線まわりに回転させることにより、筒体 の内面を、レーザ光により円周方向に走査して焼入れするようにした円筒内面の レーザ焼入装置において、前記照射光学系における光軸上に、中央部の焦点距離 と外周部の焦点距離とを互いに異ならせた複合レンズを配設するとともに、前記 反射鏡の反射面を、谷の線が入射光軸及び反射光軸に対してともに直交する方向 を向く二次元凹面としたことを特徴としている。

【００１０】

【作用】

複合レンズの中央部を通るレーザ光と、複合レンズの外周部を通るレーザ光と は、互いに区分されて、それぞれ異なる焦点に向かって集束し、その途中で反射 面を二次元凹面とした反射鏡により反射されることによって、筒体の軸線方向の みにさらに集束される。

【００１１】 その結果、筒体の内面には、複合レンズの中央部を通るレーザ光により、筒体 の円周方向に長い楕円形又は長円形の全面照射部が、また複合レンズの外周部を 通るレーザ光により、上記全面照射部と同心をなし、かつ筒体の円周方向に長い 楕円形又は長円形のリング状照射部が形成される。

【００１２】 全面照射部とリング状照射部とを重合した楕円形又は長円形の複合的なレーザ スポット形状により、筒体の内面を円周方向に走査しつつ照射することにより、 全体の焼入れ作業時間を長くすることなく、筒体の内面における任意の点への照 射時間を長く、かつ照射パワー密度を低くし、さらに焼入れ状態を最適として、 安定した深いレーザ焼入れを行うことができる。

【００１３】

【実施例】

以下、本考案の実施例を図１〜図７を参照して説明する。

【００１４】 図１〜図４に示す本考案の第１実施例において、図８に示す従来のものと同一 の構成部材には、同一の符号を付して、説明を省略する（他の実施例においても 同じ）。

【００１５】 図１に示すように、第１実施例においては、従来の凸レンズ４に代えて、焦点 距離ｆ１を長くした円形の中央部２１の外周に、焦点距離ｆ２を短くした外周部 ２２を一体的に形成した複合レンズ２０を、筒体６の中心軸線Ｌに一致させた光 軸２Ａ上に配設するとともに、反射鏡２３の反射面２３ａを、従来の反射鏡７の ような平面的なものに代えて、谷の線Ｃが入射光軸である光軸２Ａと、その反射 後の光軸２Ｂとに対してともに直交する方向を向く樋状の二次元凹面としてある 。反射鏡２３の反射面２３ａの縦断面形状は、円弧又は放物線とするのがよい。

【００１６】 次に、図２を参照して、複合レンズ２０の作用について説明する。

【００１７】 図２は、図１の具体的な実施例より、反射鏡２３を省略し、レーザ光２と複合 レンズ２０と照射面Ｄ（図１における筒体６の内面６ａに相当する）との関係を 模式的に示したものである。

【００１８】 図２において、複合レンズ２０から照射面Ｄまでの距離Ｔ１は、焦点距離ｆ１ より短く、かつ焦点距離ｆ２より長くしてある。

【００１９】 このような構成とすると、照射面Ｄには、複合レンズ２０の中央部２１を通っ て焦点Ｏ１に向かって焦束するレーザ光の中央部が、焦点Ｏ１に至る前のデフォ ーカス状態で照射されて、円形の全面照射部２４が形成され、また複合レンズ２ ０の外周部２２を通って焦点Ｏ２に向かって集束するレーザ光２の外周部が、焦 点Ｏ２を通過して反転した後若干拡散した状態で照射されて、リング状照射部２ ５が形成され、全面照射部２４とリング状照射部２５とにより、レーザスポット 形状２６が形成される（図３参照）。

【００２０】 この場合は、図２及び図３に示すように、全面照射部２４とリング状照射部２ ５との間に、リング状の非照射部２７が形成される。

【００２１】 図１に示す第１実施例においては、図２における複合レンズ２０と照射面Ｄと の間に、反射面２３ａが凹面の反射鏡２３が配設されているので、この反射鏡２ ３によって反射させられたレーザ光２は、筒体６の中心軸線Ｌ方向のみにさらに 集束されるので、実際に筒体６の内面６ａに照射されるレーザスポット形状２６ ａは、図１及び図４に示すように、筒体６の円周方向に長い楕円形（又は長円形 、以下同様）の全面照射部２４ａと、それと同心をなし、かつ適宜のリング状の 非照射部２７ａを介してそれを囲む楕円形のリング状照射部２５ａとからなる。

【００２２】 リング状照射部２５ａのパワー密度は小であるので、これを全面照射部２４ａ のための予熱用として用い、全面照射部２４ａの短軸方向Ｘ（中心軸線Ｌと同一 方向）の幅を焼入れ幅Ｗとして、このようなレーザスポット形状２６ａにより筒 体６の内面６ａを円周方向Ｙに走査しつつ照射すると、筒体６の内面６ａの任意 の点を全面照射部２４ａにより照射する以前に、その任意の点はリング状照射部 ２５ａにより先に照射され、予熱されているので、全面照射部２４ａのパワー密 度が小さくても十分に焼入れができるとともに、全面照射部２４ａは円周方向Ｙ に長い楕円形であるので、任意の点の照射時間を長くすることができる（反射鏡 ２３の回転角速度が従来のものと同一であるとして）。

【００２３】 したがって、全体の焼入れ作業時間を長くすることなく（反射鏡２３の回転角 速度を遅くすることなく）、筒体６の内面６ａにおける任意の点への照射時間を 長く、かつ照射パワー密度を低くして、安定した深いレーザ焼入れを実現するこ とができる。

【００２４】 第１実施例においては、図２における複合レンズ２０から照射面Ｄまでの距離 Ｔ１を、上述のように定めたが、この距離を、図２に示す距離Ｔ２（ｆ２＜Ｔ２ ＜Ｔ１）とすると、図５に示すように、全面照射部２４ｂとリング状照射部２５ ｂとの間に非照射部が全く存在しないレーザスポット形状２６ｂを形成すること ができる。

【００２５】 また、上記の距離を、図２に示す距離Ｔ３（ｆ２＜Ｔ３＜Ｔ２）又はＴ４（Ｔ ４＜ｆ２）とすると、図６に示すように、全面照射部２４ｃとリング状照射部２ ５ｃとが外径を同一として重合する楕円形のレーザスポット形状２６ｃが形成さ れる。この場合は、全面照射部２４ｃとリング状照射部２５ｃとの重合部分の照 射パワー密度がその内側の全面照射部２４ｃのみの照射部分のパワー密度より大 となる。

【００２６】 したがって、この場合は、焼入れ幅をリング状照射部２５ｃの外径と同一の大 寸のレーザ焼入れを行うのに最適である。なぜなら、この状態で長時間照射して も、レーザスポット形状２６ｃの中央部の温度上昇が抑制され、その中央部が溶 融するのを防止しうるとともに、ほぼ均一な深さの、幅の広い焼入れが可能とな る。

【００２７】 図７に示す本考案の第２実施例においては、光軸２Ａ上に、上記複合レンズ２ ０に代えて、中央部３１の焦点距離ｆ３を、外周部３２の焦点距離ｆ４より小と した複合レンズ３０を配設してある。

【００２８】 第２実施例においては、複合レンズ３０と照射面Ｄとの間の距離を、図７に示 す距離Ｔ５（Ｔ５＜ｆ３）、又は距離Ｔ６（ｆ３＜Ｔ６＜ｆ４）とすることによ り、図４に示すものとほぼ同様のレーザスポット形状を形成することができ、図 ７に示す距離Ｔ７（Ｔ６＜Ｔ７＜ｆ４）とすることにより、図５に示すものとほ ぼ同様のレーザスポット形状を形成することができ、また図７に示す距離Ｔ８（ Ｔ７＜Ｔ８＜ｆ４）とすることにより、図６に示すものとほぼ同様のレーザスポ ット形状を形成することができ、第１実施例のものと同様の効果を奏することが できる。

【００２９】

【考案の効果】

本考案によると、中央部の焦点距離と外周部の焦点距離とを異ならせた複合レ ンズを介してレーザ光を筒体の内面に照射することにより、筒体の内面に、複合 レンズの中央部による全面照射部と外周部によるリング状照射部とに区分された 複合のレーザスポット形状を形成し、両部をエネルギ密度や外径寸法を種々選択 することにより、従来の単一のレンズでは実現できなかった焼入れ深さの均一な 安定したレーザ焼入れが可能となるとともに、条件設定の自由度が増し、より精 度の高いレーザ焼入れを行うことができる。

【００３０】 また、レーザ光を筒体の内面に向かって反射させる反射鏡を、上記のような特 定方向を向く二次元凹面鏡とすることにより、レーザ光を筒体の中心軸線方向の みに集束させ、レーザスポット形状を筒体の円周方向に長い楕円形又は長円形と することにより、全体の作業時間を長くすることなく（反射鏡の回転角速度を遅 くすることなく）、筒体の内面の任意の点の照射時間を長く、かつレーザ光のパ ワー密度を低くして、安定した深い焼入れを行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本考案の第１実施例の要部の一部切欠概略斜視
図である。

【図２】第１実施例の複合レンズの作用を説明するため
の作用説明図である。

【図３】図２の複合レンズにより得られるレーザスポッ
ト形状を示す図である。

【図４】複合レンズと照射面との距離を図２の距離Ｔ１
としたときの第１実施例のレーザスポット形状を示す図
である。

【図５】複合レンズと照射面との距離を図２の距離Ｔ２
としたときの第１実施例のレーザスポット形状を示す図
である。

【図６】複合レンズと照射面との距離を図２の距離Ｔ３
又はＴ４としたときの第１実施例のレーザスポット形状
を示す図である。

【図７】本考案の第２実施例における図２と同様の作用
説明図である。

【図８】従来のレーザ焼入装置の要部の一部切欠概略斜
視図である。

【符号の説明】

１ レーザ発振器 ２ レーザ光 ２Ａ 光軸（入射光軸） ２Ｂ 光軸（反射光軸） ３ 平面反射鏡 ５ 照射光学系 ６ 筒体 ６ａ 内面 ８ 回転手段 ９ 回転筒 １０ ウォームホイール １１ ウォーム １２ モータ １３ 窓孔 ２０，３０ 複合レンズ ２１，３１ 中央部 ２２，３２ 外周部 ２３ 反射鏡 ２３ａ 反射面 ２４，２４ａ，２４ｂ，２４ｃ 全面照射部 ２５，２５ａ，２５ｂ，２５ｃ リング状照射部 ２６，２６ａ，２６ｂ，２６ｃ レーザスポット形状 ２７，２７ａ 非照射部 Ｃ 谷の線 Ｌ 筒体の中心軸線

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】レーザ発振器により放射されたレーザ光
   を、照射光学系により、焼入れしようとする筒体内に導
   くとともに、前記筒体内に配設した反射鏡により、筒体
   の内面に向かって反射し、かつ前記反射鏡を回転手段に
   より、筒体の中心軸線と平行な軸線まわりに回転させる
   ことにより、筒体の内面を、レーザ光により円周方向に
   走査して焼入れするようにした円筒内面のレーザ焼入装
   置において、前記照射光学系における光軸上に、中央部
   の焦点距離と外周部の焦点距離とを互いに異ならせた複
   合レンズを配設するとともに、前記反射鏡の反射面を、
   谷の線が入射光軸及び反射光軸に対してともに直交する
   方向を向く二次元凹面としたことを特徴とする円筒内面
   のレーザ焼入装置。