(57)【要約】【課題】  均一な焼入れ加工を行うことができるレーザ加工装置を提供すること。【解決手段】  複数の半導体レーザ１１と、半導体レーザ１１から出射された各レーザビームを一端から入射し、高出力レーザビームとして他端から出射する光ファイバ１２と、光ファイバ１２から出射された高出力レーザビームを平行ビームにして出射するコリメートレンズ１３と、平行ビームの光強度分布を変換した回折光を形成する計算機ホログラム１４と、光強度分布が変換された回折光を集光して被加工物に照射する集光レンズ１５とからなり、計算機ホログラム１４および集光レンズ１５により被加工物Ｗに形成されるレーザビームの強度分布形状が、長軸方向を有し、さらにこの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字形状にすることで均一な加熱を行う。【選択図】図１
2010052023.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被加工物にレーザビームを照射して加熱することにより、焼入れを行うレーザ加工装置であって、
複数の半導体レーザと、
前記複数の半導体レーザから出射された各レーザビームを一端から入射し、高出力レーザビームとして他端から出射する光ファイバと、
前記光ファイバから出射された高出力レーザビームを平行ビームにして出射するコリメートレンズと、
前記平行ビームの光強度分布を変換した回折光を形成する計算機ホログラムと、
光強度分布が変換された回折光を集光して被加工物に照射する集光レンズとからなり、
前記計算機ホログラムおよび前記集光レンズにより被加工物に形成されるレーザビームの強度分布形状が、長軸方向を有し、さらにこの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字形状にしてあることを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項２】
前記光ファイバは、ファイバ径が少なくとも１００μｍより大きいことを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ照射による加熱を利用して焼入れを行うレーザ加工装置に関し、さらに詳細には、焼入れする領域の焼入れ深さを均一にすることができるレーザ加工装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、焼入れ加工を行う場合、焼入れする領域の深さ分布をできる限り均一にすることが加工品質上は望ましい。レーザ照射による焼入れ加工では、照射するレーザ光の光強度分布が焼入れ深さの分布に影響を及ぼすことになる。通常のレーザビームは、照射面の光強度がガウス分布をしているため、本来のレーザビームの光強度分布をそのまま維持して焼入れを行うと、焼入れ深さの分布は中央が深い不均一形状になってしまう。
【０００３】
そこで、焼入れ深さを均一な分布にするため、計算機ホログラム（Computer Generated Hologram、以下ＣＧＨと略す）を用いて、光強度分布を整形した回折像を被加工物に照射する方法が提案されている（非特許文献１参照）。
【０００４】
この文献に記載された方法によれば、図７に示すように、焼入れに必要な高出力のレーザビームを簡単に得ることができるＣＯ２レーザ５１を光源に用い、ＣＯ２レーザ５１から出射されたレーザビームの光強度分布をＣＧＨ５２で変換した後、集光レンズ５３でテーブル５４に載置された被加工物Ｗ（例えば鋼材）に照射する。ＣＯ２レーザ５１は、波長が１０μｍ程度の赤外光であり、ＣＧＨ５２は金属製（例えば銅）の反射型ＣＧＨを用いている。
【０００５】
ここで用いるＣＧＨは、周知のＧＳアルゴリズム（Gerchberg-Saxtonアルゴリズム）によるパターン設計と、マスクメッキ法によるパターン形成とにより作成されるものであり、光強度がガウス分布である入射レーザビームの光強度分布を、任意の光強度分布の回折光に変換して出射するものである。したがって、焼入れに適した光強度分布を求め、その光強度分布を有する回折光が得られるＣＧＨを作成するようにする。具体的には焼入れに適した光強度分布のＣＧＨとして、入射レーザビームを、ビームの中心から両端に向けて一時関数的に増加する分布（Ｍ字分布という）を有する回折光に変換するＣＧＨを用いる。そして、このＣＧＨを用いることにより、数値シミュレーション上、被加工物の焼入れ深さの分布が、ガウス分布で照射したときよりも均一な形状になることが開示されている。
【非特許文献１】２００７年度精密工学会春季大会学術講演会講演論文集７７５頁
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述したように、光源にＣＯ２レーザを用いるとともに、ＣＧＨで光強度分布を変換することにより、シミュレーション上は被加工物Ｗの加工面に照射するレーザビームの光強度分布をＭ字分布に整形することができる。そこで、このようにして得られたレーザビームを、直接、赤外線カメラに向けて照射し、実際にその光強度分布を観察してみた。
【０００７】
図８は、ＣＯ２レーザ光源からのレーザビームをＣＧＨと集光レンズとにより光強度分布がＭ字分布になるようにして集光させたときの光強度分布の計測データである。この光強度分布は、中央が小さく両端が大きい強度分布を示しているものの、全体にわたってスパイク状のピークが多数含まれる波形となっている。したがって、このような光強度分布のレーザビームを用いて加熱した場合に、平均値としては光強度分布がＭ字分布になって加熱できるとしても、スパイク状のピークによる加熱の影響で不均一な焼入れが行われてしまうこととなっていた。
【０００８】
そこで本発明は、均一な焼入れを行うことができるレーザ加工装置を提供することを目的とする。
また、本発明は被加工物に照射するレーザ光の光強度分布がＭ字分布であり、しかもスパイク状のピークがほとんど含まれていないレーザ加工装置を提供することを目的とする。
また、本発明はガスレーザに代え、小型化が容易な半導体レーザを用いることにより、コンパクトなレーザ加工装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明のレーザ加工装置では、高出力が得られるＣＯ２レーザを用いず、代わりに半導体レーザをレーザ光源として用いる。１つの半導体レーザから得られる出力エネルギーだけでは焼入れに必要なエネルギーが得られないため、複数の半導体レーザを用いて焼入れに必要な出力エネルギーを確保するとともに、レーザビームを被加工物に導光する光学系を工夫することにより、均一な加熱を行い、均一な焼入れ加工ができるようにしている。
すなわち、本発明のレーザ加工装置は、被加工物にレーザビームを照射して加熱することにより、焼入れを行うレーザ加工装置であって、複数の半導体レーザと、複数の半導体レーザから出射された各レーザビームを一端から入射し、高出力レーザビームとして他端から出射する光ファイバと、光ファイバから出射された高出力レーザビームを平行ビームにして出射するコリメートレンズと、平行ビームの光強度分布を変換した回折光を形成する計算機ホログラムと、光強度分布が変換された回折光を集光して被加工物に照射する集光レンズとからなり、計算機ホログラムおよび集光レンズにより被加工物に形成されるレーザビームの強度分布形状は、長軸方向を有し、さらにこの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字形状であるようにしている。
【００１０】
ここで、半導体レーザとしては波長が０．８μｍ〜１．０μｍ程度の近赤外波長のものが使用される。具体的には、例えば８０８ｎｍ程度の半導体レーザを用いることができる。波長がこの範囲のレーザビームは、光ファイバ内を、ほとんど吸収を受けずに通過させることができる。
【００１１】
本発明によれば、複数の半導体レーザのそれぞれから出射されるレーザビームを光ファイバの一端から入射し、光ファイバ内を通過させて他端から出射する。光ファイバ内では、各半導体レーザからのレーザビームがファイバ内で反射されながら進行することにより平均化される結果、光ファイバから出射されるレーザビームは空間的にコヒーレントでない１つの高出力レーザビームとなる。また、光ファイバ内を通過する際に、各半導体レーザからのレーザビームどうしが平均化されることで、スパイク状のピークが打ち消され、スパイク状ピークが含まれないレーザビームとなる。そして、光ファイバから出射された高出力レーザビームを、コリメートレンズによって平行光にしてから、計算機ホログラム（ＣＧＨ）および集光レンズを通過させる。計算機ホログラム（ＣＧＨ）から出射され、集光レンズを通過し、被加工物の表面に照射される回折像の光強度分布形状は、長軸方向を有し、この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字形状になるようにしてあるので、被加工物表面はガウス分布のときよりも、均一な光強度で加熱されるようになる。このようにして均一な加熱が行なわれた後、冷却されることで均一な焼入れが行われるようになる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、被加工物の加工面に照射する回折像（レーザビーム）の光強度分布をＭ字分布にすることができ、しかもスパイク状のピークがほとんど含まれていないレーザビームで加熱することができる。その結果、スパイク状ピークによる加熱の影響がない均一な焼入れ加工を行うことができる。
また、ＣＯ２レーザに代えて、半導体レーザを用いることにより小型化が容易になり、コンパクトなレーザ加工装置を実現できる。
【００１３】
上記発明において、使用する光ファイバのファイバ径は、少なくとも１００μｍより大きくする方が好ましい。
ファイバ径を大きくすることで、光ファイバ自体の耐熱性が増し、光ファイバ自体が高出力レーザビームによる過熱によって破損するおそれがなくなる。なお、光ファイバから出射されるビーム径はファイバ径に依存するため、ファイバ径を大きくすると、出射されるビーム径も太くなる。その場合、光ファイバから出射されるレーザビームは、ファイバの出射端の全面に複数の点光源が存在し、それぞれの点光源から出射されたレーザビームがＣＧＨに入射するものとしてＣＧＨを設計することにより、ファイバ径を太くした場合のＣＧＨの設計を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の一実施形態について図面を用いて説明する。図１は本発明の一実施形態であるレーザ加工装置の構成を示す図である。ここでは鋼材の焼入れを行う場合を例に説明する。
【００１５】
このレーザ加工装置１０は、光源装置１１と、光ファイバ１２と、コリメートレンズ１３と、ＣＧＨ１４と、集光レンズ１５と、テーブル１６からなる。なお、焼入れを行う被加工物Ｗ（鋼材）上でレーザビームを加工予定線Ｌに沿って走査しながら線状に焼入れする場合や、被加工物Ｗの焼入れ位置を自動的に位置決めする場合には、レーザビームの照射位置を、被加工物Ｗに対して相対的に移動させるためのテーブル移動機構（不図示）がさらに設けられている。
【００１６】
光源装置１１は、８０８ｎｍの波長のレーザビームを発振する複数の半導体レーザ光源１１ａを内蔵してあり、各光源から出射されるレーザビームが光源装置１１内の集光レンズ１１ｂによって光ファイバ１２に導光されるようにしてある。
【００１７】
光ファイバ１２は、光源装置１１から出射されるレーザビームを透過するガラス材が使用されるとともに、そのファイバ径が１ｍｍのものを用いてある。この光ファイバ１２に入射されるレーザビームは、互いに位相関係がなく、光ファイバ１２内を通過したレーザビームはコヒーレントでない高出力レーザビームとして出射端から出射されることになる。
【００１８】
コリメートレンズ１３は、光ファイバ１２から出射される高出力レーザビームを平行光にしてＣＧＨ１４に入射するようにしてある。
【００１９】
ＣＧＨ１４は石英基板で形成され、基板上にフォトリソグラフィ技術と反応性イオンエッチング技術とを用いて、凹凸パターンが加工してある。
一般に、凹凸パターンが形成されたＣＧＨ１４に平行ビームを照射すると、その凹凸パターンに応じた光強度分布を有する回折像を得ることができる。レーザ加工装置１０に用いられるＣＧＨ１４の基板表面には、均一な深さの焼入れに必要な光強度分布を有する回折像を得るための凹凸パターンを形成する。この凹凸パターンはＧＳアルゴリズム（Gerchberg-Saxtonアルゴリズム）よりパターン設計される。
【００２０】
ここで、均一な深さの焼入れ加工を行うための凹凸パターンの作成手順について説明する。焼入れのためのレーザ照射幅を、例えば４ｍｍと設定する。光源が点光源であると仮定し、点光源から出射したレーザビームをＣＧＨ１４に照射したときに形成される回折像の光強度分布として、幅４ｍｍで両端の光強度（ＩＨ）が最も高く、中央の光強度（ＩＬ）が最も低くなるＭ字分布を採用する。Ｍ字分布の最大／最小光強度比（ＩＨ／ＩＬ）をパラメータとして、光強度比と焼入れ形状（加熱領域の断面形状）との関係を有限要素法による三次元熱解析シミュレーションで算出する。そして、シミュレーションの結果に基づいて、最も均一な焼入れが可能なＭ字分布の最大／最小光強度比（ＩＨ／ＩＬ）を決定する。この演算において、例えば、被加工物が炭素鋼（Ｓ４５Ｃ）とし、その熱伝導率が２８．３Ｗ／ｍ・Ｋ、比熱容量が７．２×１０２Ｊ／ｋｇ・Ｋとする。レーザビームの光吸収率を４３．５％としたときに、Ｍ字分布の最大／最小光強度比（ＩＨ／ＩＬ）は２．０と決定される。
【００２１】
実際にＣＧＨ１４に入射する光は点光源からではなく、光ファイバ１２の出射端の全面から出射される光が合成されたものである。そのため、出射端の全面にわたって点光源があり、それぞれの点光源から出射されるものとして、この影響を組み込むために最大／最小光強度比（ＩＨ／ＩＬ）が２．０であるＭ字分布と、光ファイバの出射端の端面形状（直径１ｍｍの円）との畳み込み積分を行う。これにより、光ファイバ１２のファイバ径の影響を含めた光強度分布が算出される。その結果、光ファイバ１２の影響を考慮した光強度分布は、図２に示すようにＭ字分布が一次元形状から二次元形状に広がり、点光源と仮定して求めた最大／最小光強度比（ＩＨ／ＩＬ）が小さくなる（例えば１．３）。
【００２２】
続いて、ＧＳアルゴリズムを用いて、算出された光強度分布の回折像が得られる凹凸パターンを設計し、これを石英基板上にフォトリソグラフィ技術と反応性イオンエッチング技術とを用いてパターン形成することでＣＧＨ１４を作成する。
このような手順で作成するＣＧＨ１４は、具体的には、直径５０ｍｍの表面に、３ｍｍ×３ｍｍのサブホログラムパターンとして並べられる。１つのサブホログラムは、５１２個×５１２個のピクセルから構成され、各ピクセルの大きさは６μｍ×６μｍとしている。
図３は、作成したＣＧＨ１４の表面を拡大した図である。表面上に凹凸パターンが形成され、これにより所望の回折像が得られる。
【００２３】
集光レンズ１５は、ＣＧＨ１４によって光強度分布がＭ字分布に変換されたレーザビームを、被加工物Ｗの表面に集光する。上述したＣＧＨ１４とこの集光レンズ１５とにより、Ｍ字分布の光強度分布での照射が行われ、均一な加熱を行うことができることになる。
【００２４】
次に、焼入れ動作について説明する。まず、被加工物Ｗを、レーザ加工装置１０のテーブル１６上に載置し、焼入れを行う領域が集光レンズ１５の焦点近傍にくるように、被加工物Ｗの位置および高さを調整する。
続いて、半導体レーザ１１を作動させ、光ファイバ１２、コリメートレンズ１３、ＣＧＨ１４、集光レンズ１５を通過した高出力レーザビームを基板に照射し、照射領域がＭ字分布の光強度で加熱されるようにする。その結果、均一な加熱がなされ、レーザビームが通過した後、自己冷却により硬化する。照射領域は以上の手順により焼入れが行われる。
なお、被加工物Ｗに対し、線状あるいは面状に焼入れを行う場合は、移動機構（不図示）でテーブル１６を移動することにより、レーザビームを走査しつつ加熱する。
【００２５】
（実施例）
半導体レーザ１１から出射されるレーザビームを、光ファイバ、コリメートレンズ、ＣＧＨ、集光レンズを通過させて、そのとき得られる光強度分布を実際に観察した。
測定条件は以下のとおりである。
ＣＧＨの素材：  石英基板
レーザ光源：Laserline社製ＬＤＬ１６０−１０００（最大出力：1ｋｗ）
光ファイバの径：  １ｍｍ
図４は、観察された光強度分布をグラフ化した図である。また、図５は被加工物の加工面上に照射される回折像である。光強度分布は、直径１ｍｍの光ファイバの出射端全面が光源となる影響で、二次元的に広がるが、長軸方向が形成されるとともに、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しており、Ｍ字形状（二次元に広がるため、より正確には馬の鞍形状）になっている。また、光ファイバ内を通過中にレーザビームが平均化されることにより、スパイク状のピークはほとんど見られなくなっている。
【００２６】
また、図６は、実際に被加工物の加工面上にレーザを照射することにより得られた加工面の焼入れ状態を示す断面図であり、図６（ａ）はＣＧＨにより光強度分布をＭ字状にした場合、図６（ｂ）はガウス分布のレーザを照射した場合である。
光強度分布をＭ字状にした場合の方が、焼入れ深さが明らかに均一な分布にできている。
【産業上の利用可能性】
【００２７】
本発明は、焼入れ加工に用いるレーザ加工装置に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の一実施形態であるレーザ加工装置の構成を示す図。
【図２】光ファイバの出射端の拡がりによる影響を含んだ光強度分布を説明する図。
【図３】ＣＧＨの表面を拡大した図。
【図４】本発明の一実施例で得られた光強度分布をグラフ化した図。
【図５】図４の実施例で加工面上に照射される回折像を示す図。
【図６】図５の回折像を照射することにより得られた加工面の焼入れ状態を示す断面図。
【図７】ＣＯ２レーザを光源に用いた従来からのレーザ加工装置の構成を示す図。
【図８】ＣＯ２レーザを光源に用いて得られた光強度分布をグラフ化した図。
【符号の説明】
【００２９】
１０：  レーザ加工装置
１１：  レーザ光源（複数の半導体レーザ）
１２：  光ファイバ
１３：  コリメートレンズ
１４：  計算機ホログラム（ＣＧＨ）
１５：  集光レンズ
１６：  テーブル
Ｗ  ：  被加工物（鋼材）
【図１】
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【図２】
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【図７】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2010052023.tif 000009
【図８】
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