(57)【要約】【課題】  線状もしくは面状の加工を同時に行い、短時間の表面加工を行うことができるレーザ加工装置を提供する。【解決手段】  レーザ光２０を発振するレーザ発振器１００と、レーザ光を複数の分岐レーザ光６０に分岐する回折光学素子４１と、複数の分岐レーザ光を円筒状の被加工物３０に対して相対的に移動させる駆動機構１７，１８と、を備え、回折光学素子は、複数の分岐レーザ光のそれぞれの集光点２１を、被加工物の表面に沿った加工位置６５に配する。【選択図】  図１
2018176257.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光を発振するレーザ発振器と、
前記レーザ光を複数の分岐レーザ光に分岐する回折光学素子と、
前記複数の分岐レーザ光を円筒状の被加工物に対して相対的に移動させる駆動機構と、を備え、
前記回折光学素子は、前記複数の分岐レーザ光のそれぞれの集光点を、前記被加工物の表面に沿った加工位置に配する、レーザ加工装置。
【請求項２】
前記回折光学素子は、前記複数の分岐レーザ光のうち、中央の分岐レーザ光の集光点の位置が、当該位置から前記レーザ発振器からの前記レーザ光の光軸までの最短距離が最も大きく、かつ、前記中央から外側に向かうにつれて、前記分岐レーザ光の集光点の位置が、当該位置から前記光軸までの最短距離が徐々に小さくなるように構成され、前記複数の分岐レーザ光の前記集光点の位置は、前記表面が前記レーザ光の光軸に対してくぼんだ湾曲凹面である前記被加工物の同一円周上に分布する、請求項１に記載のレーザ加工装置。
【請求項３】
前記回折光学素子は、前記複数の分岐レーザ光のうち、中央の分岐レーザ光の集光点の位置が、当該位置から前記レーザ発振器からの前記レーザ光の光軸までの最短距離が最も小さく、かつ、前記中央から外側に向かうにつれて、前記分岐レーザ光の集光点の位置が、当該位置から前記光軸までの最短距離が徐々に大きくなるように構成され、前記複数の分岐レーザ光の前記集光点の位置は、前記表面が前記レーザ光の光軸に対して突出した湾曲凸面である前記被加工物の同一円周上に分布する、請求項１に記載のレーザ加工装置。
【請求項４】
前記レーザ発振器からの前記レーザ光を集光させるための機能として前記回折光学素子にフレネルレンズ形状を内包する、請求項１〜３のいずれか１つに記載のレーザ加工装置。
【請求項５】
前記回折光学素子と前記被加工物との間もしくは前記回折光学素子と前記レーザ発振器との間の両方もしくは片方に配置されて前記分岐レーザ光又は前記レーザ光を集光させる集光レンズをさらに備える、請求項１〜３のいずれか１つに記載のレーザ加工装置。
【請求項６】
前記回折光学素子は、透明体の表面に０．２μｍ以上かつ４μｍ以下の凹凸を設けた素子、又は、液晶型の波面制御装置である、請求項１〜５のいずれか１つに記載のレーザ加工装置。
【請求項７】
前記分岐レーザ光の集光点の位置が、前記被加工物の前記表面が前記レーザ発振器からの前記レーザ光の光軸が法線となる平面と、前記被加工物の前記表面であって前記光軸に対してくぼんだ湾曲凹面又は突出した湾曲凸面との交差する線上に配置される、請求項１〜６のいずれか１つに記載のレーザ加工装置。
【請求項８】
前記レーザ光の分岐及び集光点位置変化を起こす前記回折光学素子と前記円筒状の被加工物との相対位置を変化させることで、前記被加工物の中心軸と直交する平面に対して傾いた角度を持つ平面と、前記被加工物の前記表面であって前記レーザ発振器からの光軸に対してくぼんだ湾曲凹面又は突出した湾曲凸面とが交差する線状に前記分岐レーザ光の前記集光点を配置する、請求項１〜６のいずれか１つに記載のレーザ加工装置。
【請求項９】
前記回折光学素子と前記被加工物との間もしくは前記回折光学素子と前記レーザ発振器との間の両方もしくは片方に配置されて前記分岐レーザ光又は前記レーザ光を集光させるとともに焦点距離が互いに異なる複数の集光レンズさらに備えて、前記複数の集光レンズのうちから、前記被加工物の前記表面であって前記光軸に対してくぼんだ湾曲凹面又は突出した湾曲凸面の曲率に応じて１つの集光レンズを選択して使用する、させる請求項１〜３のいずれか１つに記載のレーザ加工装置。
【請求項１０】
前記複数の分岐レーザ光の集光点が、前記被加工物の前記表面に面状に配置される請求項１〜９のいずれか１つに記載のレーザ加工装置。
【請求項１１】
前記分岐されたそれぞれの分岐レーザ光の前記集光点におけるエネルギが互いに異なる請求項１〜１０のいずれか１つに記載のレーザ加工装置。
【請求項１２】
レーザ発振器から発振されたレーザ光を回折光学素子で複数の分岐レーザ光に分岐し、
前記複数の分岐レーザ光を円筒状の被加工物に対して相対的に移動させながら照射して、前記回折光学素子により、前記複数の分岐レーザ光のそれぞれの集光点を、前記被加工物の表面に沿った加工位置に配して前記被加工物を加工する、レーザ加工方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、レーザ加工装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のレーザを用いたエンジンのシリンダブロックのボア表面に潤滑油を保持するために微細な加工痕を形成する装置としては、一本の集光されたレーザ光によってエンジンシリンダブロックの内面に連続溝加工を行う装置がある。これらは、レーザ光と被加工材とを相対的に動かしながら、点状の加工部分を繋いで、線状の溝を形成していくものである。
例えば特許文献１においては、１本のレーザ光によって複数回の照射を行うことによって、異なる加工深さを持った複数の溝を形成している。
図１３は、従来のレーザ加工装置からボア内表面にレーザ光を照射して微細な溝を形成している状況を示す図である。図１３において、レーザ発振器１１１と、照射ミラー１１２と、集光レンズ１１３が内蔵された集光部１１４と、集光部１１４の図中下端に設けられた伝達ミラー１１５と、集光部１１４を軸線回りに回転及び軸線方向に昇降駆動する駆動装置１１６と、を有する。レーザ発振器１１１から出力されたレーザ光１２０は、照射ミラー１１２により集光部１１４に向けて折り返され、集光レンズ１１３で集光され、伝達ミラー１１５により折り返され、エンジンシリンダブロック１３０のボア内表面１３１に照射される。ボア内表面１３１にレーザ光１２０を所定パルス周波数で照射しつつ集光部１１４を所定速度で移動させることにより、移動方向に連続した微細な溝がボア内表面１３１に形成される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−２５０７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
例えば、特許文献１では、レーザ光をエンジンシリンダ内面に照射することによって溝加工を行っている。しかしながら、前記従来の構成では、単一の集光スポットによって加工を行っていくため、シリンダ内面などの大面積の加工を施して行くために、多くの加工時間が必要であるという課題を有していた。
本開示は、前記従来の課題を解決するもので、線状もしくは面状の加工を同時に行い、短時間の表面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を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するために、本開示のレーザ加工装置は、
レーザ光を発振するレーザ発振器と、
前記レーザ光を複数の分岐レーザ光に分岐する回折光学素子と、
前記複数の分岐レーザ光を円筒状の被加工物に対して相対的に移動させる駆動機構と、を備え、
前記回折光学素子は、前記複数の分岐レーザ光のそれぞれの集光点を、前記被加工物の表面に沿った加工位置に配する、レーザ加工装置を提供する。
上記目的を達成するために、本開示のレーザ加工方法は、
レーザ発振器から発振されたレーザ光を回折光学素子で複数の分岐レーザ光に分岐し、
前記複数の分岐レーザ光を円筒状の被加工物に対して相対的に移動させながら照射して、前記回折光学素子により、前記複数の分岐レーザ光のそれぞれの集光点を、前記被加工物の表面に沿った加工位置に配して前記被加工物を加工する。
【発明の効果】
【０００６】
以上のように、本開示の構成によって、前記回折光学素子により、前記複数の分岐レーザ光のそれぞれの集光点を、前記被加工物の表面に沿った加工位置に配して前記被加工物を加工するので、加工に要する時間を数分の一〜数十分の一に短縮することができるレーザ加工装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本開示の実施の形態１における光学系全体を俯瞰する斜視図
【図２】（ａ）は、本開示の実施の形態１における分岐した分岐レーザ光の様子を表した上面図、（ｂ）は、図２の（ａ）のエンジンシリンダブロック内を左方向から見た場合の集光点の側面断面図
【図３】（ａ）は回折光学素子の側面の概略図、（ｂ）は回折光学素子の表面凹凸を拡大した概略図
【図４】実施の形態１の変形例として、レンズと回折光学素子との位置が入れ替わった際の光学系全体を俯瞰する斜視図
【図５】実施の形態１の別の変形例として、回折光学素子が集光機能を内包した際の光学系全体を俯瞰する斜視図
【図６】（ａ）は本開示の実施の形態１のさらに別の変形例として、回折光学素子が回転した際の光学系全体を俯瞰する斜視図、（ｂ）は図６の（ａ）のエンジンシリンダブロック内を左方向から見た場合の集光点の側面断面図
【図７】（ａ）は図２の（ｂ）を上面から見た際の集光点の描く曲率の模式図、（ｂ）は図６の（ｂ）を上面から見た際の集光点の描く曲率の模式図
【図８】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は集光レンズの焦点距離を短焦点、中焦点、長焦点と変化した際の集光点の描く曲率の模式図
【図９】（ａ）、（ｂ）はそれぞれ集光点を被加工物の表面内に面状にかつ格子配列と斜め配列とに配置した際の模式図
【図１０】集光点のエネルギが異なる場合の模式図
【図１１】本発明の実施の形態２における光学系全体を俯瞰する斜視図
【図１２】（ａ）は本開示の実施の形態２における分岐した分岐レーザ光の様子を表した上面図、（ｂ）は図１２の（ａ）のエンジンシリンダブロック内を左方向から見た場合の集光点の側面断面図
【図１３】従来例における光学系全体の模式図
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１におけるレーザ加工装置を含む光学系全体を俯瞰する斜視図である。図１において、レーザ加工装置は、レーザ発振器１００と、回折光学素子４１と、駆動機構とを備えて構成されている。駆動機構は、具体的には、回転方向の駆動装置１７と上下方向の駆動装置１８とで構成されている。
【０００９】
レーザ発振器１００は、レーザ光２０を発振する。
【００１０】
回折光学素子４１は、レーザ光２０を複数個の分岐レーザ光６０に分岐する。すなわち、レーザ発振器１００から発振されたレーザ光２０が回折光学素子４１に入ると、回折光学素子４１により、分岐レーザ光６０の集光点２１の位置を、レーザ光２０の光軸６３に沿った方向にずらして３次元的に配置可能でかつ複数の分岐レーザ光６０に分岐可能な機能を有している。
【００１１】
回転方向の駆動装置１７と上下方向の駆動装置１８とは、回折光学素子４１により分岐した複数の分岐レーザ光６０を円筒状の被加工物３０に対して相対的に正逆回転方向と上下方向とに移動させる機能を有している。具体的には、被加工物３０か、又は、レーザ発振器１００及び回折光学素子４１などの光学系のいずれか一方を、光軸方向周りに正逆回転可能とするとともに、光軸方向沿いに進退移動可能とすればよい。駆動機構１７，１８の例としては、モータなどで駆動可能な、公知の昇降駆動装置及び回転テーブルなどが使用できる。
【００１２】
レーザ発振器１００から出射されるレーザ光２０は、回折光学素子４１を透過して複数の分岐レーザ光６０に分岐される。回折光学素子４１により分岐された前記分岐レーザ光６０は、集光レンズ１３によって収束しながら、伝達ミラー１５によって反射され、エンジンシリンダブロック３０のボア内表面３１に集光され、加工位置に加工痕を形成する。エンジンシリンダブロック３０は、円筒状の被加工物の一例であり、エンジンシリンダブロック３０のボア内表面３１は、レーザ光２０の光軸６３に対してくぼんだ湾曲凹面の一例である。
【００１３】
回折光学素子４１は、分岐した複数の分岐レーザ光６０の各集光点２１を、円筒状の被加工物３０の表面に沿った加工位置６５に配するように構成される。本実施の形態１においては、回折光学素子４１は、分岐した複数の分岐レーザ光６０のうち、中央の分岐レーザ光６０ａの集光点２１ａの位置が回折光学素子４１から最も遠く、かつ、外側に向かうにつれ分岐レーザ光６０の集光点２１の位置が前記回折光学素子４１に近くなるように構成されている。言い換えれば、複数の分岐レーザ光６０のうち、中央の分岐レーザ光６０ａの集光点２１ａの位置が、当該位置からレーザ発振器１００からのレーザ光２０の光軸６３までの最短距離が最も大きく、かつ、中央から外側に向かうにつれて、分岐レーザ光６０の集光点２１の位置が、当該位置から光軸６３までの最短距離が徐々に小さくなるように構成されている。この結果、前記分岐した複数の分岐レーザ光６０の集光点２１の位置は、前記被加工物３０の湾曲凹面３１の同一円周６２上に分布する。これにより、円筒状の被加工物３０に対して、直線状６１に加工点（加工位置、言い換えれば集光点２１）を分布させることができ、加工に要する時間を短縮することが可能である。
【００１４】
被加工物の例であるエンジンシリンダブロック３０を回転方向の駆動装置１７と上下方向の駆動装置１８によって移動させることによって、集光点２１をボア内表面３１に沿って全面に渡って加工を行うことが可能となっている。このとき、エンジンシリンダブロック３０を移動させる代わりに、集光点２１とボア内表面３１の相対的な位置が同じになるように、伝達ミラー１５、集光レンズ１３及び回折光学素子４１を移動させてもよい。
【００１５】
また、レーザ光２０の発振を連続波又はパルス波として、レーザ光を照射している時間を任意に変えることで、加工痕の形状を直線状の溝形状又は窪み形状に変化させることが可能である。
【００１６】
図２は、本発明の実施の形態１における分岐した分岐レーザ光６０の様子を表した上面図及び側面断面図である。図２の（ａ）において、分岐レーザ光６０は伝達ミラー１５にて反射され、エンジンシリンダブロック３０のボア内表面３１の形状に沿った位置に集光点２１を形成する。このとき、使用される前記回折光学素子４１の側面から見た概略図を図３の（ａ）に示す。図３の（ｂ）は、回折光学素子４１の表面凹凸を拡大した概略図である。回折光学素子４１は、透明体４１ａの表面に凹凸４２を設けた構造をしており、前記透明体４１ａの部分を透過するレーザ光２０の位相を変化させることでレーザ光２０の波面４３を変化させて、光の干渉を利用してレーザ光２０を複数の分岐レーザ光６０に分岐する機能を有する。また、分岐した個別の分岐レーザ光６０に対して前記透明体表面の凹凸４２に傾斜した成分を含ませることで、フレネルレンズの効果も重畳させることができ、レーザ光２０の光軸６３に沿って分岐した個別の分岐レーザ光６０の集光点２１のそれぞれの位置を光軸６３沿いの前後にシフトさせる機能を有する。透明体４１ａの表面の凹凸４２の大きさは、透明体４１ａに屈折率１〜２の光学ガラスを用い、また波長０．２ｎｍ〜１．５５ｎｍのレーザ光に位相差を付与できるよう、０．２μｍ以上かつ４μｍ以下とする。このとき、前記透明体表面に凹凸を設けた回折光学素子の代わりに、液晶パネルを利用してレーザ光２０の位相を０〜２πの範囲で変化させることが可能な液晶型の波面制御装置を用いてもかまわない。図２の（ｂ）は、ボアの内側から集光点２１を観察した様子である。エンジンシリンダブロック３０の移動方向を法線とする平面とボア内表面３１との交差する直線６１上に集光点２１が直線状に並んでいる。このときの直線６１は、ボア内表面３１において最も大きな曲率半径を持つ。
【００１７】
図４は、実施の形態１の変形例として、図１に対してレンズ１３と回折光学素子４１との位置が入れ替わった際の光学系全体を俯瞰する斜視図である。回折光学素子４１と集光レンズ１３との相対位置は、図４のように入れ替わっても、図１と同じような効果が見込める。
【００１８】
図５は、実施の形態１の別の変形例として、回折光学素子４１Ａがフレネルレンズ形状を内包した際の光学系全体を俯瞰する斜視図である。図５において、回折光学素子４１Ａの透明体表面の凹凸を、すべての分岐した分岐レーザ光６０が図２の集光レンズ１３と同等のフレネルレンズ効果を重畳させた形状にしている。よって、レーザ光２０を複数の分岐レーザ光６０に分岐した際に、それぞれの分岐後の分岐レーザ光６０の集光位置（すなわち、集光点２１の位置）を回折光学素子４１Ａにより個別に設定することができる。この別の変形例は、集光レンズを用いる必要がなく、光学系の構成を簡素にすることができる。
【００１９】
図６の（ａ）と（ｂ）とは、それぞれ、実施の形態１のさらに別の変形例として、回折光学素子４１Ｂが回転した際の光学系全体を俯瞰する斜視図及び集光点２１の様子を表した側面図である。通常、回折光学素子４１Ｂは、一部の動的なＬＣＯＳ（Liquid Crystal On Silicon）素子などを除くと、製作後に設計は変更できない。そのため、本実施の形態１のさらに別の変形例では、ボア内表面３１の対応する曲率の幅を拡げることを目的とするものである。
【００２０】
図６の（ａ）において、回折光学素子４１Ｂを回転方向の駆動装置４１１にて４５度回転させると、分岐レーザ光６０がレンズ１３にて集光される集光点２１の位置も移動する。回転方向の駆動装置４１１は、モータとモータにより正逆回転される螺子軸と螺子軸にかみ合う係止部材となどで構成され、光軸６３周りに回折光学素子４１Ｂを正逆回転可能な公知の回転機構である。なお、この回転は相対的なものであり、レーザ光２０の分岐及び集光点位置変化を起こす回折光学素子４１と伝達ミラー１５との相対位置を変化させうるならば、光軸６３を回転軸として伝達ミラー１５側を前記回転機構で回転させることも可能である。
【００２１】
図６の（ｂ）は、前記回転方向の駆動装置４１１で回折光学素子４１Ｂが回転されたとき、エンジンシリンダブロック３０のボア内表面３１上に、分岐レーザ光６０が照射されて集光点２１が形成された様子の模式図である。このとき、集光点２１も、回折光学素子４１Ｂと同じように４５度回転した位置に分岐レーザ光６０が照射されて集光された状態となる。
【００２２】
図７は、分岐した分岐レーザ光６０の集光点２１の位置と、エンジンシリンダブロック３０とを上面から見た際の集光点２１の並びが作っている曲率を表す仮想線５１との模式図である。図７の（ａ）は、図６の（ａ）における回転方向の駆動装置４１１を駆動して回折光学素子４１Ｂを回転させる前の状態であり、このときに曲率を表す仮想線５１は、回折光学素子４１Ｂを設計した際に取りうる最大の曲率半径を持つ値となる。図７の（ｂ）は、図６の（ｂ）の状態をエンジンシリンダブロック３０の上方から見た際の集光点２１の配置を表している。このとき、図７の（ａ）の曲率を表す仮想線５１が４５度斜めに傾いているものを上方から見ていることになるので、このときの集光点２１は楕円状の集光点２１を表す仮想線５２の上に配置されているように観察される。実際の集光点２１は、点ではなく、ある程度の広がりがあることから、最も近い円状の曲率を表す仮想線５３の上に配置されていると考えても差し支えない。この円状の曲率を示す仮想線５３の示す曲率半径は、前記図７の（ａ）の曲線を表す仮想線の曲率半径よりも小さくなる。これは、回折光学素子４１Ｂを回転させることで、エンジンシリンダブロック３０の内径が小さなものに対しても、集光点２１の位置を変化させて、ボア内表面３１に意図した加工ができるようにしたものである。本実施の形態１では、４５度としたが、この角度を変更することによって、ある程度の幅をもって、曲率の異なるエンジンブロックに対応することが可能となっている。すなわち、レーザ光２０の分岐及び集光点位置変化を起こす回折光学素子４１と前記伝達ミラー１５との相対位置を光軸６３を回転軸として変化させることで、被加工物３０の中心軸（例えば光軸６３又は円筒面の中心軸）と直交する平面に対して傾いた角度を持つ平面と、被加工物３０の表面であって光軸６３に対してくぼんだ湾曲凹面３１又は後述するピストン３２のような突出した湾曲凸面とが交差する直線状に分岐レーザ光６０の集光点２１を配置することによって、回折光学素子４１の設計時の集光点２１の描く曲率とは異なる曲面に対しても集光点２１がフィットするように調整ができる。
【００２３】
図８の（ａ）〜（ｃ）は、焦点距離が互いに異なる３種類の集光レンズ１３による集光点２１の描く曲率の模式図である。この実施の形態１も、製作後に変更不可能な回折光学素子４１，４１Ａ，又は４１Ｂを用いて、異なる曲率半径を持つ被加工物３０に対応するため、異なる焦点距離のレンズ１３に交換して配置するものである。レンズ１３を交換することにより、（ａ）短焦点レンズと、（ｂ）中焦点レンズと、（ｃ）長焦点レンズとのように、レンズ１３の焦点距離を長くするにしたがって、集光点２１の間隔が広くなっていき、円状の曲率を表す仮想線５３の曲率半径も大きくなっていく。この方法によって、集光レンズ１３を変更することで、様々なサイズのエンジンシリンダブロックに対応することが可能となっている。
【００２４】
図９は、集光点２１を被加工物３０の表面内に面状に配置した際の模式図である。前記の実施の形態１では、集光点２１を直線状に配置してきたが、一度に加工できる面積を拡大するために、（ａ）格子配列、及び、（ｂ）斜め配列などの集光点配置を行っている。
【００２５】
このように面状に集光点２１を配置することによって、直線状に集光点２１を配置したときと比較して、数倍〜数十倍の加工速度を得ることができる。面状に配置された集光点２１は、ボア内表面３１に集光されるように、表面の凹凸に沿うように分岐レーザ光６０の集光する点２１を配置するように回折光学素子４１を設計している。このとき、面状に配置された集光点２１の格子状又は斜め配列のすべての集光点２１を設ける必要はなく、被加工物３０に施すデザインによって変わってくるため、集光点２１の数を少なくすることも可能である。
【００２６】
図１０は、集光点２１のエネルギが異なる場合の模式図である。分岐レーザ光６０を集光して加工を行う場合、前記分岐レーザ光６０のエネルギの量によって、加工される場所の溝又は窪みの深さが違ってくる。エンジンシリンダブロック３０の摺動抵抗を低減するためは、加工部の形状も画一的な均質なものではなく、大きさの異なる加工痕が必要である。従来の加工装置では、照射をするたびにレーザ光のエネルギを変化させればよかったが、単純に分岐した場合は、複数箇所の分岐エネルギが同じになり、それらの加工痕もほぼ同じような形状となっている。本実施の形態１では、前記回折光学素子４１の透明体４１ａの表面の凹凸４２を設計する際に、分岐レーザ光６０毎に異なるエネルギ量となるような位相差による干渉が起こるように設定し、相対的にエネルギの大きな集光点２１１と、相対的にエネルギの小さな集光点２１２とを設けている。それによって、ボア内表面３１上の集光点２１にエネルギの大きさの異なるものができ、加工痕の大きさを異なるものとすることができる。
【００２７】
なお、この実施の形態１では、相対的にエネルギの大きな分岐レーザ光６０の集光点２１１と、相対的にエネルギの小さな分岐レーザ光６０の集光点２１２の２種類としたが、それに限られることはなく、すべての集光点２１のエネルギを互いに異なるものにすることも可能である。
実施の形態１によれば、発振されたレーザ光２０を回折光学素子４１，４１Ａ，又は４１Ｂにより複数の分岐レーザ光６０に分岐して、分岐レーザ光６０の集光点２１の位置を、レーザ光２０の光軸６３に沿った方向にずらして２次元的又は３次元的に配置可能としている。このため、回折光学素子４１，４１Ａ，又は４１Ｂにより、複数の分岐レーザ光６０のそれぞれの集光点２１を、被加工物３０の表面に沿った加工位置６５に、点ではなく、少なくとも線状に配することができ、加工に要する時間を数分の一〜数十分の一に短縮することができる。
【００２８】
（実施の形態２）
図１１は、本発明の実施の形態２における光学系全体を俯瞰する斜視図である。
実施の形態１においては、円筒状の被加工物の内周面を加工したのに対して、実施の形態２においては、被加工物の外周面、例えば円柱状のピストン３２の外周面を加工する。すなわち、図１１において、レーザ発振器１００から出射されるレーザ光２０は、集光点２１の位置を光軸６３に沿った方向にずらして配置可能でかつ複数の分岐レーザ光６０に分岐可能な回折光学素子４１を透過して複数の分岐レーザ光６０に分岐されている。その後、前記分岐レーザ光６０は集光レンズ１３によって収束しながら、伝達ミラー１５によってピストン３２の表面に向かって照射され、加工痕を形成する。
【００２９】
回折光学素子４１は、前記分岐した複数の分岐レーザ光６０のうち、中央の分岐レーザ光６０ａの集光点２１ａの位置が回折光学素子４１から最も近く、かつ、外側に向かうにつれ分岐レーザ光６０の集光点２１の位置が前記回折光学素子から離れるように、構成され、前記分岐した複数の分岐レーザ光６０は、ピストン３２の外周面の同一円周６６上に分布する。すなわち、回折光学素子４１は、複数の分岐レーザ光６０のうち、中央の分岐レーザ光６０ａの集光点２１ａの位置が、当該位置からレーザ発振器１００からのレーザ光２０の光軸６３までの最短距離が最も小さく、かつ、中央から外側に向かうにつれて、分岐レーザ光６０の集光点２１の位置が、当該位置から光軸６３までの最短距離が徐々に大きくなるように構成され、複数の分岐レーザ光６０の集光点２１の位置は、表面がレーザ光２０の光軸６３に対して突出した湾曲凸面である被加工物の例であるピストン３２の同一円周６６上に分布する。
よって、ピストン３２を回転方向の駆動装置１７と上下方向の駆動装置１８とによって移動させることによって、集光点２１をピストン３２の表面に沿って全面に渡って加工を行うことが可能となっている。このとき、ピストン３２を移動させる代わりに、集光点２１とピストン３２の表面との相対的な位置が同じになるように、伝達ミラー１５、集光レンズ１３、及び回折光学素子４１を移動させてもよい。
【００３０】
また、レーザ光２０の発振を連続波や又はパルス波としてレーザ光を照射している時間を任意に変えることで、加工痕の形状を線状の溝形状又は窪み形状に変化させることが可能である。
【００３１】
図１２の（ａ）及び（ｂ）は、本発明の実施の形態２における分岐した分岐レーザ光６０の様子を表した上面図及び側面断面図である。図１２の（ａ）において、分岐レーザ光６０は伝達ミラー１５にて反射され、ピストン３２の表面の形状に沿った位置に集光点２１を形成する。このとき、前記回折光学素子４１は、レーザ光２０を複数の分岐レーザ光６０に分岐する機能とともにレーザ光２０の光軸６３に沿って集光点２１の位置を前後にシフトさせる機能を有する。図１２の（ｂ）は、ピストン３２の表面である外周面を外側から集光点２１を観察した様子である。ピストン３２の移動方向を法線とする平面とピストン３２の表面とが交差する線６４上に集光点２１が直線状に並んでいる。このときの線６４は、ピストン３２の表面において最も大きな曲率半径を持つ。
【００３２】
実施の形態２においても実施の形態１と同様、回折光学素子４１の回転、又はレンズ１３の焦点距離の変更によって、ピストン３２の曲率の変更に対する対応が可能である。  また、前記分岐レーザ光６０のエネルギ配分を任意に設定することによって、加工痕の溝形状や又は窪み形状の大きさを変化させることも可能である。
【００３３】
上記の様々な態様及びこれらの任意の組み合わせにより、異なる内径をもつエンジンシリンダブロック３０のボア内面加工及びピストン３２の表面加工に対応することが可能となる。
【００３４】
また、レーザ光を用いて加工を行う際に分岐及び被加工物の凹凸形状に合わせて集光点２１の位置を配置することが可能な回折光学素子４１，４１Ａ，４１Ｂを用いることによって、一度に複数の加工痕をシリンダブロック内面に付けることができる。そのため、必要充分なエネルギを持ったレーザ光２０を用いることによって、分岐レーザ光６０の分岐数に対応して、求める面積を加工するための加工時間を短縮することが可能となる。
【００３５】
エンジンシリンダブロック３０のボア内面曲率は製品によって変わってくるが、それぞれのエンジンシリンダブロック毎に回折光学素子４１，４１Ａ，４１Ｂを用意することは、コストの面で大きな負担となる。そこで、レーザ光２０の光軸６３に対して回折光学素子４１，４１Ａ，４１Ｂを適切に回転させることによって分岐レーザ光６０の集光点２１が斜めに配置され、回折光学素子４１，４１Ａ，４１Ｂの設計値とは異なる曲率の面に対してもその表面に集光点２１を配置させることができる。
【００３６】
エンジンのシリンダブロック３０のボア表面に潤滑油を保持するために微細な加工痕で形成される油溜まりの大きさは、均一なものだけではなく、複数の異なる大きさのものが混在した場合の方が、より摺動抵抗を下げることができる。本発明では、回折光学素子にてレーザ光２０を分岐する際に、分岐した各々の分岐レーザ光６０の持つエネルギを異なる適切な値にすることによって、同時に加工される複数の加工痕の大きさを異なるものとして設定することができる。その結果、溝幅又は穴径に変化をつけることができ、摺動抵抗を低減することができる。
【００３７】
本開示は、被加工物の材料表面にレーザ光によって加工痕を施すことによって摺動抵抗を低減することを目的とした加工を施すホーニング加工に適用できる。より詳細には、エンジンシリンダの摺動面に油溜まりとなる凹凸を生成させるための加工を高速に行うためにレーザ光の集光点の配置を任意に行うことができる。
【００３８】
なお、前記様々な実施形態又は変形例のうちの任意の実施形態又は変形例を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。また、実施形態同士の組み合わせ又は実施例同士の組み合わせ又は実施形態と実施例との組み合わせが可能であると共に、異なる実施形態又は実施例の中の特徴同士の組み合わせも可能である。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
本発明にかかるレーザ加工装置は、前記回折光学素子により、前記複数の分岐レーザ光のそれぞれの集光点を、前記被加工物の表面に沿った加工位置に配して前記被加工物を加工するので、材料表面にレーザ光によって加工痕を施すことによって摺動抵抗を低減することを目的とした加工を施すホーニング加工等に有用である。
【符号の説明】
【００４０】
１００，１１１  レーザ発振器
１１２  照射ミラー
１３，１１３  集光レンズ
１１４  集光部
１５，１１５  伝達ミラー
１１６  駆動装置
１７  回転方向の駆動装置
１８  上下方向の駆動装置
２０，１２０  レーザ光
２１  集光点
２１ａ  中央の分岐レーザ光の集光点
２１１  相対的にエネルギの大きなレーザ光の集光点
２１２  相対的にエネルギの小さなレーザ光の集光点
３０，１３０  エンジンシリンダブロック
３１，１３１  ボア内表面
３２  円筒ピストン
３３  ピストン表面
４１，４１Ａ，４１Ｂ  回折光学素子
４１ａ  透明体
４１１  回転方向の駆動装置
４２  回転光学素子の表面の凹凸
４３  凹凸による位相差によって生じたレーザ光の波面
５１  曲率を表す仮想線
５２  楕円状の集光点を表す仮想線
５３  円状の曲率を表す仮想線
６０  分岐レーザ光
６０ａ  中央の分岐レーザ光
６１  エンジンシリンダの移動方向を法線とする平面とボア内表面との交差する線
６２  分岐レーザ光の集光点が位置する被加工物の同一円周
６３  光軸
６４  ピストンの移動方向を法線とする平面とピストンの表面とが交差する線
６５  加工位置
６６  ピストンの外周面の同一円周
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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