(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザビームを発生するレーザビーム発生手段と、レーザビームを集束するレンズユニットと、このレンズユニットにより集束されたレーザビームを反射するレーザビーム反射手段とを備え、前記レーザビーム反射手段のみが内径側に歯部が形成されたワーク内に挿入されて、ワークの歯面をレーザビームにより照射するレーザ焼入れ装置において、
前記レンズユニット及び前記レーザビーム反射手段が摺動面を介して摺動可能に当接しており、
前記レーザビーム反射手段の軸心に対して、前記レンズユニットの軸心をオフセットすることを特徴とするレーザ焼入れ装置。
【請求項２】
レーザヘッドに、レーザビームを集束するレンズユニットと、前記レンズユニットにより集束されたレーザビームを反射するレーザビーム反射手段とを備え、前記レーザビーム反射手段のみが内径側に歯部が形成されたワーク内に挿入されて、ワークの歯面をレーザビームにより照射するレーザ焼入れ装置において、
前記レンズユニット及び前記レーザビーム反射手段が摺動面を介して摺動可能に当接しており、
前記レーザヘッドに、前記レンズユニットを担持するとともに移動可能な担持体と、焼入れ時に、前記担持体を移動することにより前記レーザビーム反射手段の軸心に対して前記レンズユニットの軸心をオフセットする移動操作手段とを設けたことを特徴とするレーザ焼入れ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、レーザによる表面焼入れ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のレーザ焼入れ方法を開示した特開昭６１−２８４５１９号公報には、このレーザ焼入れ方法に使用するレーザ焼入れ装置が開示してある。このレーザ焼入れ装置は、レーザヘッド（レンズとこのレンズを保持するレンズ保持部材とで構成）の下側に反射ミラー保持部材を固着して、この反射ミラー保持部材に反射ミラーを装着したものであり、この反射ミラー部分をワークに挿入して、このワークの内径部に形成された歯部の歯面にレーザビームを照射して、この歯面に焼入れを施すようにしたものである。
【０００３】
また、ワークの焼入れ部に対してレーザビームの入射角が大きいとレーザビームの反射を抑えることでができ、深い硬化層が得られることは公知である。また、一般には、面圧に耐えられるだけの硬化層を得るために（＝入射角を大きくするために）、レーザヘッドの軸心をワークの軸心から偏心（いわゆるオフセット）させることも公知である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のレーザ焼入れ装置にあっては、ワークの内周面とレーザヘッドの外周面とが接触するぎりぎりの位置までオフセットを行ったとしても、反射ミラーの中央部でレーザビームを反射していて、しかもレーザヘッドと反射ミラーとが一体となって動くため、レーザビームは反射ミラーに対してオフセットを行う余裕がありながら、レーザヘッドはこの位置でオフセット量を制限されており、レーザビームのオフセット量の最大化を図ることができなかった。したがって、より深い硬化層を得るにはレーザビームの出力を上げたり、照射時間を長くしなければならなかった。
【０００５】
また、仮に、反射ミラーをできる限り小さくすることでレーザヘッドのオフセット量を大きくしようとしても、一般に反射ミラーは、レーザビームの焦点調整のために、レーザビームの径よりも余裕を持って大きく製作されている。
【０００６】
このため、レーザヘッドの外周面がワークの内周面に接触するところまでオフセットしたとしても、やはりレーザビームは反射ミラーに対してオフセットする余裕がありながらも、レーザヘッドのオフセット量はこの位置で制限されており、オフセット量の最大化を図ることはできなかった。
【０００７】
本発明は上述の問題に着目してなされたもので、レーザビームのオフセット量の最大化を図り、レーザビームの出力を上げることなくより深く硬化層が得られるレーザ焼入れ装置を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、請求項１の発明に係わるレーザ焼入れ装置は、レーザビームを発生するレーザビーム発生手段と、レーザビームを集束するレンズユニットと、このレンズユニットにより集束されたレーザビームを反射するレーザビーム反射手段とを備え、前記レーザビーム反射手段のみが内径側に歯部が形成されたワーク内に挿入されて、ワークの歯面をレーザビームにより照射するレーザ焼入れ装置において、前記レンズユニット及び前記レーザビーム反射手段が摺動面を介して摺動可能に当接しており、前記レーザビーム反射手段の軸心に対して、前記レンズユニットの軸心をオフセットすることを特徴とする。
【０００９】
また、上記の目的を達成するために、請求項２の発明に係わるレーザ焼入れ装置は、レーザヘッドに、レーザビームを集束するレンズユニットと、前記レンズユニットにより集束されたレーザビームを反射するレーザビーム反射手段とを備え、前記レーザビーム反射手段のみが内径側に歯部が形成されたワーク内に挿入されて、ワークの歯面をレーザビームにより照射するレーザ焼入れ装置において、前記レンズユニット及び前記レーザビーム反射手段が摺動面を介して摺動可能に当接しており、前記レーザヘッドに、前記レンズユニットを担持するとともに移動可能な担持体と、焼入れ時に、前記担持体を移動することにより前記レーザビーム反射手段の軸心に対して前記レンズユニットの軸心をオフセットする移動操作手段とを設けたことを特徴とする。
【００１１】
【作用】
請求項１記載のレーザ焼入れ装置にあっては、レンズユニットで集束されたレーザビームは、レーザビーム反射手段によって反射され、レンズユニットの外部のワーク焼入れ部に照射される。そして、オフセットして焼入れを行う場合には、少なくとも、レーザビームは、レンズユニットによってレーザビーム反射手段に対してオフセットされて集束される。
【００１２】
このため、従来の、レンズユニットとレーザビーム反射手段とが一体となってオフセットを行うものに比べて、レーザ反射手段のオフセット量が制限されたとしても、レーザビームのオフセット量を大きく設定することが可能となる。したがって、ワークの焼入れ部に対してレーザビームの入射角を大きく設定することができ、レーザビームの出力を上げたり、照射時間を長くすることなく、面圧に耐え得るだけの深い硬化層を得ることができる。
【００１３】
また、レーザ反射手段ができる限り小さく作ってあったとしても、レーザ反射手段における余裕分（焦点調整用）までレーザビームをオフセットすることができるので、レーザビームのオフセット量をより大きく設定することが可能となる。
【００１４】
また、請求項１記載のレーザ焼入れ装置にあっては、少なくとも、レーザビームは、レーザユニットによってレーザビーム反射手段に対してオフセットされて集束され、ワークの歯部の歯面に照射される。
【００１５】
このため、レーザヘッドのオフセット量がワーク内経に接触するところで制限されたとしても、レーザビームのオフセット量を大きく設定することが可能となる。したがって、歯面に対しレーザビームの入射角をより大きくすることができ、レーザビームの出力を上げたり、照射時間を長くすることなく面圧に耐え得るだけの深い硬化層を得ることができる。
【００１６】
また、請求項２記載のレーザ焼入れ装置にあっては、レンズユニットで集束されたレーザビームは、レーザビーム反射手段によって反射され、レンズユニットの外部のワーク焼入れ部に照射される。そして、オフセットして焼入れを行う場合には、レーザヘッドの移動操作手段が、担持体を移動することによりレーザビーム反射手段の軸心に対してレンズユニットの軸心をオフセットさせるために、レーザビームは、レンズユニットによってのみ、オフセットされてワークの歯部の歯面に照射される。
【００１７】
このため、ワークとレーザビーム反射手段との間の、ワークのレーザビーム反射手段との接触防止用に設けられる隙間は、レーザビーム反射手段がオフセットするものに比べ小さくてよく、レンズユニット及びレーザビーム反射手段の両方がオフセットするもに比べて、レーザビームのオフセット量をより大きく設定することが可能となり、歯面に対しレーザビームの入射角をより大きくすることが可能となる。
【００１８】
したがって、レーザビームの出力を上げたり、照射時間を長くすることなく面圧に耐え得るだけの硬化層を得ることができる。また、レーザヘッドの位置決めは、レーザヘッドの一回の心出しにて可能になる。
【００１９】
【実施例】
以下、本発明の一実施例を図面に基づいて説明する。図１は本発明に係わるレーザ焼入れ装置の正面図、図２は同レーザ焼入れ装置の側面図、図３は同レーザ焼入れ装置におけるレーザ焼入れ治具の縦断面図、図４は図３のＡ−Ａ線に沿う断面図、図５は図３のＢ−Ｂ線に沿う断面図、図６は図３のＣ−Ｃ線方向からの矢視図である。
【００２０】
本発明に係わるレーザ焼入れ装置はベース１を備えており、このベース１にはコラム２が立設してあり、このコラム２にスライド機構３を介して上下方向（Ｚ軸方向）に移動可能にＺ軸スライドヘッド４が設けてあり、前記コラム２には前記Ｚ軸スライドヘッド４の上下動作を制御するＺ軸側の作動モーター５Ｌ、５Ｒが装置されている。また、前記Ｚ軸スライドヘッド４の前面部には左右方向（Ｘ軸方向）に移動可能に担持体であるＸ軸スライドヘッド６を設けており、Ｚ軸スライドヘッド４の下部には治具保持部材７が取り付けてある。そして、前記コラム２には前記Ｘ軸スライドヘッド６の左右動作を制御する移動操作手段であるＸ軸側の作動モーター８Ｌ、８Ｒが装置されている。そして、前記Ｚ軸スライドヘッド４と担持体であるＸ軸スライドヘッド６と治具保持部材７等でレーザヘッドＫを構成している。
【００２１】
図３乃至図９にレーザ焼入れ治具９を示す。このレーザ焼入れ治具９は、大別して、前記Ｘ軸スライドヘッド６側に装着されるオフセット可能なレンズユニット１０と、前記治具保持部材７に保持されたレーザビーム反射手段である反射ミラー機構部１１とから構成されている。
【００２２】
前記レンズユニット１０はレンズ保持部材１２を備えており、このレンズ保持部材１２はレンズ保持筒１３の上部にこのレンズ保持筒１３より小径のレーザビームファイバー保持部１４を形成して構成してあり、このレーザビームファイバー保持部１４の軸線イは前記レンズ保持筒１３の軸線ロの延長上に位置しており、これらの軸線イ、ロ上にレーザビーム導路１５が形成してある。
【００２３】
そして、前記レンズ保持筒１３には、その上側にレンズホルダー１６Ａを介して凸レンズ１７が、下側にレンズホルダー１６Ｂを介してシリンドリカルレンズ１８がそれぞれ上下方向に調整可能に装着してあり、前記凸レンズ１７及びシリンドリカルレンズ１８は前記レーザビーム路１５上に位置している。また、前記レンズ保持筒１３の下端面は摺動面１９に成されており、この摺動面１９にはＯリング溝部２０が形成してあり、このＯリング溝部２０にＯリング２１が装着してある。また、前記レンズ保持部材１２の後部には取付座部２２が設けてある。
【００２４】
前記反射ミラー機構部１１は保持筒２３Ａとこの保持筒２３Ａの下端部に連結された反射ミラー保持部材２３Ｂを備えており、前記保持筒２３Ａは、図３、図７に示すようにその上端部に鍔部２４を有しており、この鍔部２４の上面部が摺動面部２５になされている。また、図９に示すようにミラー保持部材２３Ｂの上部には閉塞面部２６が設けてあり、この閉塞面部２６には、前記ミラー保持部材２３Ｂの軸線ハを挟んだ左右位置させて、この軸線ハから等間隔に開口部２７、２８が形成してある。
【００２５】
また、前記ミラー保持部材２３Ｂの下端部は、このミラー保持部材２３の軸線ハに対して４５度に傾斜した傾斜部２９になされており、この傾斜部２９はミラー保持部材２３Ｂの後側に向けてある。そして、ミラー保持部材２３Ｂの傾斜部２９とは反対側である前側部位３０には切欠き部から成る左右のレーザビーム出口３１、３２が形成してある。そして、前記ミラー保持部材２３の傾斜部２９にはレーザビーム反射ミラー３３が取り付けてある。
【００２６】
上記のように構成されたレーザ焼入れ治具９において、前記レンズユニット１０は、その取付座部２２で前記Ｘ軸スライドヘッド６に取り付けられていて、このレンズユニット１０のレーザビームファイバー保持部１４にはレーザ発振装置（ＹＡＧレーザ発振器）７０の出力側から導出されたレーザビームファイバー３４の端部が固着保持されている。また、前記反射ミラー機構部１１は前記治具保持部材７に固着保持されている。そして、前記レンズユニット１０の前記レンズ保持筒１３の下端面の摺動面１９が、前記反射ミラー機構部１１の保持筒２３Ａの上端の摺動面部２５に左右方向に摺動可能に当接しており、前記レンズ保持筒１３の前側下部にはストッパー３７が固着してあり、このストッパー３７は前記保持筒２３Ｂの前面部に摺接している。
【００２７】
前記ベース１にはターンテーブル３５が設置されており、このターンテーブル３５の上面部にワーク固定治具３６が設けてある。
【００２８】
前記ワークＷは、図１０に示すように例えば遊星歯車装置のキャリヤ４０であり、このキャリヤ４０のボス部４１に内周部に形成されたスプライン４２の焼入れを行う。
【００２９】
次に、上記のように構成されたレーザ焼入れ装置による前記ワークＷの焼入れを説明する。
【００３０】
前記ワークＷは、図１０に示すようにそのボス部４１を上にして、前記ターンテーブル３５の上面部にワーク固定治具３６を介して固定される。この場合、前記ワークＷの中心を通る軸線ホが、前記反射ミラー機構部１１の反射ミラー保持部材２３Ｂの軸線ハに一致している。そして、前記ターンテーブル３５の回転により、前記ワークＷは前記軸線ホを中心にして回転する。
【００３１】
また、Ｚ軸側の作動モーター５Ｌ、５Ｒを駆動制御することにより、前記スライド機構３を介してＺ軸スライドヘッド４を上下方向（Ｚ軸方向）に移動して、前記レーザ焼入れ治具９を上下方向に移動させることができ、また、Ｘ軸側の作動モーター８Ｌ、８Ｒを駆動制御することにより前記Ｘ軸スライドヘッド６を左右方向（Ｘ軸方向）に移動させて、前記レーザ焼入れ治具９の前記レンズユニット１０を左右方向に移動させ、前記レーザビームＵの中心Ｘを左右にオフセット（オフセット量は左右それぞれにＬである。）させることができる。
【００３２】
また、前記レーザ発振装置より出力されたレーザビームＵは前記レーザビームファイバー３４に導かれて、その端部３４ａからレーザビーム導路１５を直進し、前記凸レンズ１７で平行ビームにされた後、シリンドリカルレンズ１８により一方向のみ集光（楕円形状の焦点をもつ）されて、前記レーザビーム反射ミラー３３に至り、このレーザビーム反射ミラー３３により反射されて前記レーザビーム出口３１（または３２）より出射される。
【００３３】
したがって、Ｚ軸側の作動モーター５Ｌ（または５Ｒ）を駆動制御することにより、前記スライド機構３を介してＺ軸スライドヘッド４を下方向に移動して、前記レーザ焼入れ治具９を下方向に移動させ、前記反射ミラー機構部１１の反射ミラー保持部材２３Ｂの下部を前記ワークＷのボス部４１内に挿入する。
【００３４】
次に、Ｘ軸側の作動モーター８Ｌ（または８Ｒ）を駆動制御することにより、前記Ｘ軸スライドヘッド６を左方向に移動させて、前記レーザ焼入れ治具９の前記レンズユニット１０を左方向に移動させ、前記レーザビームＵの中心ＸをＬだけ左にオフセットさせる。
【００３５】
例えば、前記ワークＷの焼入れ部位Ｗ１が、次の緒元を有するスプラインである場合、図１１に示すようにオフセット量Ｌを１０ｍｍにすると、オフセット量Ｌが零の場合では、スプライン４１の歯面（歯側壁部）４１Ａに対するレーザビーム（ビーム幅：３ｍｍ）Ｕの入射角度は３３°１２´であり、オフセット量Ｌが１０ｍｍの場合では、スプライン４１の歯面４１Ａに対するレーザビームＵの入射角度は７３°２３´である。
【００３６】
スプライン緒元
呼び径            ３２
モジュール        １．００
歯数              ３０
圧力角            ３０°
大径              ３２Ｈ１４
小径              ３０ｈ１１
基準ピッチ円直径  ３０．００
【００３７】
そして、前記オフセット量Ｌを５ｍｍ〜１０ｍｍまで６段階に変化させた場合の焼入れ形状を図１２の（１）〜（６）に示す。この図１２の（１）〜（６）で判明するように前記オフセット量Ｌが増すにしたがって焼入れによる硬化層Ｈが歯面４１Ａに広がりより深い硬化層が得られる。
【００３８】
このように、歯面４１Ａにより深い硬化層を得る均一に焼入れを行なうためには、レーザビームＵは極力歯面４１Ａに直角に近づける必要がある。よって、オフセット量Ｌは大きく取る方がよい。したがって、オフセット量Ｌを最大値（１０ｍｍ）にして、前記レーザ発振装置よりレーザビームＵを出力すると、レーザビームＵは、上記したように凸レンズ１７及びシリンドリカルレンズ１８を経て、前記レーザビーム反射ミラー３３に至り、このレーザビーム反射ミラー３３により反射されて前記レーザビーム出口３１より出射され、ワークＷのスプライン４１の歯面４１Ａを照射する。この状態で、前記ターンテーブル３５を所定の周速度で図１１に示すように反時計回り方向に回転し、スプライン４１の右側の歯面４１ＡをレーザビームＵにより焼入れする。
【００３９】
このようにしてスプライン４１の右側の歯面４１Ａの焼入れを終了すると、Ｘ軸側の作動モーター８Ｒを駆動制御して、前記Ｘ軸スライドヘッド６を右方向に移動させて、前記レーザ焼入れ治具９の前記レンズユニット１０を右方向に移動させ、前記レーザビームＵの中心ＸをＬだけ右にオフセットさせる。
【００４０】
この右のオフセットの場合も、左のオフセットと同様にオフセット量Ｌを最大値（１０ｍｍ）にする。そして、前記レーザ発振装置よりレーザビームを出力すると、レーザビームＵは、上記したように凸レンズ１７及びシリンドリカルレンズ１８を経て、前記レーザビーム反射ミラー３３に至り、このレーザビーム反射ミラー３３により反射されて前記レーザビーム出口３２より出射され、ワークＷのスプライン４１の左の歯面４１Ａを照射する。この状態で、前記ターンテーブル３５を所定の周速度で反時計回り方向に回転し、スプライン４１の左側の歯面４１ＡをレーザビームＵにより焼入れする。
【００４１】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１記載のレーザ焼入れ装置にあっては、レンズユニットで集束されたレーザビームは、レーザビーム反射手段によって反射され、レンズユニットの外部のワーク焼入れ部に照射される。そして、オフセットして焼入れを行う場合には、少なくとも、レーザビームは、レンズユニットによってレーザビーム反射手段に対してオフセットされて集束される。
【００４２】
このため、従来の、レンズユニットとレーザビーム反射手段とが一体となってオフセットを行うものに比べて、レーザ反射手段のオフセット量が制限されたとしても、レーザビームのオフセット量を大きく設定することが可能となる。したがって、ワークの焼入れ部に対してレーザビームの入射角を大きく設定することができ、レーザビームの出力を上げたり、照射時間を長くすることなく、面圧に耐え得るだけの深い効果層を得ることができる。
【００４３】
また、レーザ反射手段ができる限り小さく作ってあったとしても、レーザ反射手段における余裕分（焦点調整用）までレーザビームをオフセットすることができるので、レーザビームのオフセット量をより大きく設定することが可能となる。
【００４４】
また、請求項１記載のレーザ焼入れ装置にあっては、少なくとも、レーザビームは、レーザユニットによってレーザビーム反射手段に対してオフセットされて集束され、ワークの歯部の歯面に照射される。
【００４５】
このため、レーザヘッドのオフセット量がワーク内経に接触するところで制限されたとしても、レーザビームのオフセット量を大きく設定することが可能となる。したがって、歯面に対しレーザビームの入射角をより大きくすることができ、レーザビームの出力を上げたり、照射時間を長くすることなく面圧に耐え得るだけの深い硬化層を得ることができる。
【００４６】
また、請求項２記載のレーザ焼入れ装置にあっては、レンズユニットで集束されたレーザビームは、レーザビーム反射手段によって反射され、レンズユニットの外部のワーク焼入れ部に照射される。そして、オフセットして焼入れを行う場合には、レーザヘッドの移動操作手段が、担持体を移動することによりレーザビーム反射手段の軸心に対してレンズユニットの軸心をオフセットさせるために、レーザビームは、レンズユニットによってのみ、オフセットされてワークの歯部の歯面に照射される。
【００４７】
このため、ワークとレーザビーム反射手段との間の、ワークのレーザビーム反射手段との接触防止用に設けられる隙間は、レーザビーム反射手段がオフセットするものに比べ小さくてよく、レンズユニット及びレーザビーム反射手段の両方がオフセットするもに比べて、レーザビームのオフセット量をより大きく設定することが可能となり、歯面に対しレーザビームの入射角をより大きくすることが可能となる。
【００４８】
したがって、レーザビームの出力を上げたり、照射時間を長くすることなく面圧に耐え得るだけの硬化層を得ることができる。また、レーザヘッドの位置決めは、レーザヘッドの一回の心出しにて可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わるレーザ焼入れ装置の正面図である。
【図２】同レーザ焼入れ装置の側面図である。
【図３】同レーザ焼入れ装置におけるレーザ焼入れ治具の縦断面図である。
【図４】図３のＡ−Ａ線に沿う断面図である。
【図５】図３のＢ−Ｂ線に沿う断面図である。
【図６】図３のＣ−Ｃ線方向からの矢視図である。
【図７】左側オフセット状態におけるレーザ焼入れ治具の縦断面図である。
【図８】反射ミラー機構部の反射ミラー保持部材の正面図である。
【図９】同反射ミラー保持部材の平面図である。
【図１０】ワークのセット状態の説明図である。
【図１１】レーザ焼入れ治具におけるオフセット量と歯面に対するレーザビームとの関係の説明図である。
【図１２】レーザ焼入れ治具におけるオフセット量と歯面の焼入れ硬化層との関係の説明図である。
【符号の説明】
１０  レンズユニット
１１  反射ミラー機構部（レーザビーム反射手段）
３３  レーザビーム反射ミラー
Ｋ    レーザヘッド
Ｕ    レーザビーム
Ｗ    ワーク
Ｗ１  焼入れ部
【図１】
0003583187.tif 000002
【図２】
0003583187.tif 000003
【図３】
0003583187.tif 000004
【図４】
0003583187.tif 000005
【図５】
0003583187.tif 000006
【図６】
0003583187.tif 000007
【図７】
0003583187.tif 000008
【図８】
0003583187.tif 000009
【図９】
0003583187.tif 000010
【図１０】
0003583187.tif 000011
【図１１】
0003583187.tif 000012
【図１２】
0003583187.tif 000013