JPH0681029A - レーザ熱処理装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 熱処理部位の幅が各種ある処理対象にも対応
できる汎用性のあるレーザ熱処理装置を提供する。 【構成】 レーザ焼入装置は、発振部１０、光学系２
０、レンズ駆動部３０、電子制御部４０を中心に構成さ
れ、光学系はビームエキスパンダ２０ａとシリンドリカ
ル凸レンズ２０ｂとからなる。電子制御部４０が、入力
部５０で設定されたスポット幅ｌ、スポット厚ｄ、パワ
ー密度Ｐ、焼入幅Ｌの各データに基づいて、凸レンズＣ
ＶＬの位置Ｘ及び発振器１０ａの出力Ｗを算出して、凸
レンズＣＶＬを移動させ発振器から出力Ｗのレーザビー
ムＬＢを被焼入ワークＷＫに照射させる。すると、スポ
ットＳＰは楕円形でその長径（＝スポット幅）ｌは焼入
幅Ｌに応じて伸縮され（短径ｄは一定）、照射部位のパ
ワー密度Ｐは一定である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、レーザ光源から出射さ
れた光束を熱源として用いて対象物に熱処理を施すレー
ザ熱処理装置に関する。

【従来の技術】従来、レーザ熱処理装置の一つとして、
レーザ光源から出射されたレーザビームを、集光レンズ
によって小さなスポットに絞り込み金属表面に照射し
て、焼入を施す焼入装置が知られている。この装置に
は、焼き歪が少ない、狭い所でも焼入可能、冷却水が不
要などの利点があり、ピストンのオイルリング溝などの
自動車部品の焼入や多ロットのワークの焼入などに広く
用いられている。

【０００２】

【発明が解決しようとする課題】ところで、この種の装
置では、既設の機器構成では焼入幅の自動調整を実現す
ることは困難であり、焼入幅の異なる部位が混在するワ
ークの焼入を行う場合には、焼入幅の異なる毎に光学系
の交換又は調整を行ってスポット幅を変更しなければな
らない。あるいは、焼入幅が大きいときには、焼入幅方
向を副走査方向としてビームのスポットを複数回走査し
て焼入を行わなければならないので、走査の重なり部分
では軟化が起こり、焼入の均一性が損なわれることがあ
る。

【０００３】このようなことから上記装置には、同一ワ
ークの焼入専用機として使うことはできるものの汎用性
に欠けるという問題があった。換言すれば、上記焼入装
置を汎用機として使うと光学系の交換・調整に手間がか
かるという問題があり、焼入機自動化の阻害要因にもな
っていたのである。もちろん、オシレート・ミラーやポ
リゴン・ミラーなどの走査用反射鏡を用いてビームスポ
ットを高速度で走査することで、焼入幅を大きくするこ
とが考えられる。しかし、光学系が複雑になり走査ミラ
ーの駆動機構も精密なものが必要になるといった問題が
あって、採用するのは困難である。そこで本発明の目的
は、簡単な機構でレーザビームのスポット径を所定の径
方向へのみ伸縮させ、その伸縮に応じてレーザ光源の出
力を制御することで、熱処理幅が各種ある熱処理に対応
できる汎用のレーザ熱処理装置を提供することにある。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明の要旨とするとこ
ろは、図１に例示するように、レーザ光源から出射され
た光束を熱源として用いて対象物に熱処理を施すレーザ
熱処理装置であって、上記レーザ光源から入射された光
束を拡大するビームエキスパンダと、該ビームエキスパ
ンダから入射された光束を該光束の所定の径方向へのみ
集束させ熱処理対象物に結像させるアナモルフィック集
光光学系と、上記ビームエキスパンダによる光束の拡大
率に基づいて、上記レーザ光源の出力を制御する制御手
段と、を備えたことを特徴とするレーザ熱処理装置にあ
る。

【０００５】

【作用】以上のように構成された本発明のレーザ熱処理
装置によれば、ビームエキスパンダがレーザ光源から入
射された光束を拡大し、アナモルフィック集光光学系
が、上記拡大された光束を所定の径方向へのみ集束させ
る。したがって、熱処理対象物の上に結像されるビーム
スポットは、たとえば楕円形になり、ビームエキスパン
ダの拡大率に応じて、楕円の長径方向のみ伸縮し短径方
向は伸縮せず一定となる。そして、制御手段が、ビーム
エキスパンダによる光束の拡大率に基づいて、レーザ光
源の出力を制御する。たとえば、上記拡大率の増減に応
じてレーザ光源の出力を増減制御すれば、ビームスポッ
トのパワー密度は一定になる。

【０００６】

【実施例】以下に本発明の実施例を図面と共に説明す
る。まず、図２は本発明を適用したレーザ焼入装置の構
成を表すブロック図である。図示するように、レーザ焼
入装置は、レーザビームＬＢの発振部１０と、レーザビ
ームＬＢを長楕円のスポットＳＰとして被焼入ワークＷ
Ｋ上に絞り込むための光学系２０と、光学系２０の一部
を動かしてスポットの大きさを調節するレンズ駆動部３
０と、装置各部１０，３０を制御する電子制御部４０と
を主要部として構成されている。なおレーザ焼入装置に
は、レーザビームＬＢに対して被焼入ワークＷＫを相対
的に一定速度で移動させる機械系（不図示）が備えられ
ているが、本発明の要部ではないので説明は省略する。

【０００７】レーザ発振部１０は、レーザビームＬＢの
発振器１０ａと、発振器１０ａに定電流を供給する定電
流電源１０ｂとからなり、定電流電源１０ｂから供給さ
れる定電流（アンペア［Ａ］）の増減に応じて、発振器
１０ａの出力レベル（ワット［Ｗ］）が増減する。発振
器１０ａの出力Ｗは、レーザビームＬＢのスポットＳＰ
領域でのパワー密度Ｐ［Ｗ／mm²］ 、スポット厚（後述
する）ｄ［mm］を一定とすると、次式で求められる。 Ｗ＝Ｐ×Ｌ×ｄ…（１） 但し、Ｌ［mm］は焼入幅を表す。なお発振器１０ａは、
光ポンプや光共振器など（不図示）を備えた周知のもの
であって、気体レーザ、液体レーザ、固体レーザなど何
れのものを用いてもよい。定電流電源１０ｂは、発振器
１０ａの内部インピーダンスの変動にかかわらず一定の
直流電流を発振器１０ａに出力し、かつ電子制御部４０
からの指令に応じて出力レベルを増減できる。

【０００８】光学系２０は、レーザビームＬＢの径を拡
大又は縮小するためのビームエキスパンダ２０ａと、ビ
ームエキスパンダ２０ａによって径の大きさが調節され
たレーザビームＬＢを線状に結像させるシリンドリカル
凸レンズ２０ｂとからなる。ビームエキスパンダ２０ａ
は、凹レンズＣＣＬ及び凸レンズＣＶＬからなるガリレ
オ形のもので、ボールネジ機構ＢＳによって凸レンズＣ
ＶＬが光軸に沿って移動可能に構成され、位置固定され
た凹レンズＣＣＬに凸レンズＣＶＬが近づくほどレーザ
ビームＬＢの径が小さくなる（このときの凸レンズＣＶ
Ｌの位置及びレーザビームＬＢを、図において二点鎖線
で示した）。光学系２０においては、凸レンズＣＶＬの
光軸上での位置（即ち、凹レンズＣＣＬとの距離）Ｘ
は、スポット幅ｌ［mm］（後述する）に比例し、次式に
より求められる。 Ｘ＝ａ・ｌ＋ｂ…（２） 但し、ａ及びｂは、凹レンズＣＣＬ及び凸レンズＣＶＬ
の焦点距離から定まる定数であり、スポット幅ｌは、レ
ーザ発振部１０の出力レベルの可変範囲により一定の範
囲内（ｌmin≦ｌ≦ｌmax）に限られる。

【０００９】なお、スポット幅ｌは実際の焼入幅Ｌより
僅かに大きいが（ｌ＝Ｌ＋２α、αはスポット端部にで
きる未焼入の幅）、以下の説明ではＬ＝ｌとみなす。ま
た、本実施例ではガリレオ形のビームエキスパンダ２０
ａを用いたが、この他に凸レンズ同士を組み合わせたケ
プラー形や凹面鏡を用いたカセグレン形などのエキスパ
ンダを用いてもよい。シリンドリカル凸レンズ２０ｂ
は、入射されるレーザビームＬＢを所定の径方向（図に
おいて天地方向）にのみ光を集束させ線状（図面に対し
て垂直方向に展開する線状）に結像させる。そのため、
レーザビームＬＢのスポットＳＰは、円形から楕円形
（図面に対して垂直方向に長い楕円形）になる。入射さ
れるレーザビームＬＢの径が拡大又は縮小すると、スポ
ットＳＰの長径ｌは伸縮するが、その短径ｄはほぼ一定
となる（図においては、レーザビームＬＢ径縮小時のス
ポット形状を二点鎖線で、拡大時のスポット形状を実線
で示した）。

【００１０】したがって、光学系２０においては、ビー
ムエキスパンダ２０ａの調整によって、スポットＳＰの
短径ｄはほぼ一定のままで、その長径ｌを伸縮させるこ
とができる。なお説明上の都合上、スポットＳＰの長径
ｌをスポット幅、同じく短径ｄをスポット厚と呼ぶ。ま
た本実施例では、集光光学系としてシリンドリカル凸レ
ンズ２０ｂを用いたが、このレンズに限らずアナモルフ
ィック光学系ならば種々のもが採用できる。レンズ駆動
部３０は、ボールネジ機構ＢＳを駆動して凸レンズＣＶ
Ｌを光軸方向へ往復移動させ任意点に位置決めするモー
タ３０ａと、モータドライバ３０ｂとからなる。モータ
３０ａには、たとえばステッピングモータが用いられ、
電子制御部４０からの指令に基づいてモータドライバ３
０ｂがモータ３０ａを回転駆動して、凸レンズＣＶＬを
指令位置に正確に移動させる。

【００１１】電子制御部４０は、相互にバス４０ａで接
続された周知のＣＰＵ４０ｂ、ＲＯＭ４０ｃ、ＲＡＭ４
０ｄ、タイマ４０ｅ及び入出力ポート４０ｆを中心に論
理演算回路として構成され、入出力ポート４０ｆには、
定電流電源１０ｂやモータドライバ３０ｂの他に各種デ
ータを入力するための入力部５０も接続されている。Ｒ
ＯＭ４０ｃには、初期値や制御に必要な各種定数、発振
器１０ａの出力Ｗの演算式（１）及びレンズ位置の演算
式（２）などが格納されている。またＲＡＭ４０ｄに
は、周知の初期化処理の実行によりデータ処理のための
ワーク・エリアＷＡなどがセットされる。入力部５０に
よって、レーザビームＬＢのスポット幅ｌ・スポット厚
ｄ・パワー密度Ｐ、焼入幅Ｌなどのデータが設定され、
電子制御部４０に入力される。次に、電子制御部４０で
実行される出力制御処理について、図３のフローチャー
トに沿って順次説明する。

【００１２】本処理が開始されると、最初のステップ１
００で、入力部５０によって設定されたスポット幅ｌ、
スポット厚ｄ、パワー密度Ｐ、焼入幅Ｌの各データを読
み込む。次のステップ１１０では、読み込んだスポット
幅ｌのデータと上記（２）式とから凸レンズＣＶＬの位
置Ｘを算出し、続くステップ１２０で、読み込んだデー
タＰ，ｄ，Ｌと上記（１）式とに基づいて、発振器１０
ａの出力Ｗを算出する。続いてステップ１３０では、モ
ータドライバ３０ｂに指令して、ステップ１１０で算出
した位置Ｘに凸レンズＣＶＬを移動させる。そして最後
のステップ１４０では、ステップ１２０で算出された出
力Ｗに応じた定電流の通電を、定電流電源１０ｂに指令
することで、出力ＷのレーザビームＬＢを発振器１０ａ
から被焼入ワークＷＫに照射させて、処理を終了する。

【００１３】以上説明したように本実施例では、楕円形
のスポットＳＰを形成し、設定された焼入幅Ｌに応じて
スポット幅ｌのみを伸縮制御すると共に、出力Ｗも増減
制御してスポットＳＰのパワー密度Ｐを一定に保つ。そ
れゆえ、本レーザ焼入装置は焼入幅サイズが各種ある焼
入対象にも対応でき汎用の焼入装置として使うことがで
きる。つまり、従来のように光学系を交換又は調整する
手間がかからず、所望の焼入幅Ｌをカバーできる。ま
た、従来の複数回レーザビームを走査する装置のよう
に、焼なましによる軟化部分が生じることなく均一の焼
入処理を行うことができる。また本実施例では、光学系
２０及びレンズ駆動部３０の構成が簡単であるので、作
製が容易である。

【００１４】なお本実施例では、設定された焼入幅Ｌ−
レンズＸ・出力Ｗの決定というオープン・ループの制御
系であったが、このオープン・ループに加えて、焼入温
度−出力制御のフィードバック・ループを設けてもよ
い。フィードバック・ループを設けるのは、被焼入ワー
クＷＫの性質により焼入状態が変わることがあるからで
ある。詳しく述べれば、被焼入ワークＷＫの材質・形状
・表面粗さなどの要因により、スポットＳＰの照射部位
の温度が所望のレベルにならないことがあり、あるいは
スポットＳＰの照射に対する温度上昇の応答速度にも差
がでることもあるからである。

【００１５】そのため、たとえば放射形温度計など非接
触式温度計により照射部位の温度を測定し、その測定温
度に応じて、かつ上記温度上昇レスポンスの遅れを加味
しながらレーザ発振部１０の出力をフィードバック制御
するのである。さらに、光ファイバなどの光分岐器や反
射ミラーを用いて、レーザビームＬＢのごく一部のを光
量測定系へ導き、レーザ発振部１０の実出力を測定し、
これをフィードバックする制御系を追加してもよい。こ
の場合には、焼入の均一性や精度をさらに高めることが
でき、加えて被焼入ワークの材質によって焼入均一性が
損なわれないので、汎用性により優れる。また、従来は
経験や熟練にたよっていた高度な焼入技能が技術化され
焼入品質の向上に功を奏する。

【００１６】

【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、ビ
ームエキスパンダが光束を拡大し、アナモルフィック集
光光学系が光束を所定の径方向へのみ集束させ、制御手
段がビームエキスパンダの拡大率に基づいてレーザ光源
の出力を制御するので、レーザビームのスポットが、た
とえば楕円形になりその短径が一定で長径のみが上記拡
大率に応じて伸縮する。したがって、所望の熱処理幅を
カバーできると共に、パワー密度を一定に保つことがで
きる。それゆえ、本発明のレーザ熱処理装置は熱処理幅
のサイズが各種ある処理対象にも対応でき汎用装置とし
て使うことができる。また、走査ミラー及びその駆動機
構を用いないので、構成が簡単で作製容易である。

【００１７】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の基本的構成を例示する構成図である。

【図２】実施例のレーザ焼入装置の構成を表すブロック
図である。

【図３】電子制御部で実行される出力制御処理のフロー
チャートである。

【符号の説明】

１０…レーザ発振部 ２０…光学系 ２０ａ…ビームエキスパンダ ２０ｂ…シリンドリ
カル凸レンズ ３０…レンズ駆動部 ４０…電子制御部 ＬＢ…レーザビーム ＳＰ…スポット

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レーザ光源から出射された光束を熱源と
   して用いて対象物に熱処理を施すレーザ熱処理装置であ
   って、 上記レーザ光源から入射された光束を拡大するビームエ
   キスパンダと、 該ビームエキスパンダから入射された光束を該光束の所
   定の径方向へのみ集束させ熱処理対象物に結像させるア
   ナモルフィック集光光学系と、 上記ビームエキスパンダによる光束の拡大率に基づい
   て、上記レーザ光源の出力を制御する制御手段と、 を備えたことを特徴とするレーザ熱処理装置。