(57)【要約】【課題】  大面積の焼入れを短時間で行えるレーザ焼入れ方法を提供すること、および、複雑なパターンの焼入れを容易に行うことができるレーザ焼入れ方法およびレーザ焼入れ装置を提供すること。【解決手段】  半導体レーザバーと集光系とを有するレーザユニットを前記集光系が内側を向くように複数個配置し、前記レーザユニットから出射されたレーザビームの楕円スポットをワークの焼入れ面上に配列させることにより焼入れを行う。【選択図】      図１
2007063606.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ照射装置の１以上の半導体レーザで発生したレーザビームを、複数の楕円形のスポットが配列されたスポットパターンがワーク上に形成されるように前記ワークに照射し、前記スポットパターンにより、前記ワークを焼き入れするレーザ焼入れ方法。
【請求項２】
各々の前記スポットは、複数の前記半導体レーザから出射されたレーザビームを集光することにより形成される、請求項１に記載のレーザ焼入れ方法。
【請求項３】
前記複数の半導体レーザが半導体レーザバーを構成している、請求項２に記載のレーザ焼入れ方法。
【請求項４】
前記レーザビームの照射は、前記スポットパターンが前記ワーク上を相対的に移動するようにして行われる、請求項１に記載のレーザ焼入れ方法。
【請求項５】
前記スポットパターンにおいて、前記複数のスポットが、前記スポットパターンの移動方向に交差するある方向に並ぶように配列される、請求項４に記載のレーザ焼入れ方法。
【請求項６】
前記スポットパターンは、前記ワーク上を時間的に連続的に移動する、請求項５に記載のレーザ焼入れ方法。
【請求項７】
前記スポットパターンにおいて、前記複数のスポットが、前記スポットパターンの移動方向に平行な１以上の直線と該移動方向に交差するある方向に平行な複数の直線との各交点上に位置するように配列される、請求項４に記載のレーザ焼入れ方法。
【請求項８】
前記スポットパターンを、前記スポットパターンの移動方向における前記スポットの間隔に略等しい距離だけ移動させる、請求項７に記載のレーザ焼入れ方法。
【請求項９】
前記楕円形のスポットは、その長軸又は短軸が前記スポットパターンの移動方向に沿うように配列される、請求項５乃至８のいずれかに記載のレーザ焼入れ方法。
【請求項１０】
ワークを保持するワーク保持具と、
複数の半導体レーザを有し該複数の半導体レーザから出射されるレーザビームを集光する複数のレーザユニットを備えたレーザ照射装置と、
前記ワーク保持具と前記レーザ照射装置とを相対的に移動させる移動機構と、を備え、
前記レーザ照射装置において、前記複数のレーザユニットが、各々の前記レーザビームを集光して、前記ワーク保持具に保持されたワーク上に楕円形のスポットを形成しかつ全ての該楕円形のスポットが配列されてスポットパターンを形成することが可能なように配設されている、レーザ焼入れ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、焼入れ方法および焼入れ装置に関する。より詳しくは、半導体レーザを用いた焼入れ方法および焼入れ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザにより焼入れを行う方法として、特許文献１に開示されたレーザ加工方法がある。このレーザ加工方法では、加工部位の幅方向にレーザビームを照射し得るように複数のレーザダイオードアレイを配置し、加工部位の幅方向の位置に応じて各レーザダイオードアレイのビーム強度を制御して、レーザダイオードアレイを加工部位の長手方向に移動させながら加工部位に照射する。この方法によれば、幅方向の位置による入熱分布の相違から引き起こされる溶着不良等の問題を解決することができる。
【特許文献１】再表０２／００９９０４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、前記従来の構成を用いて大面積の焼入れを行おうとすれば、断面が一本のライン状のビーム（ラインビーム）で全面を走査しなければならず、加工に時間がかかるという問題を有していた。また、前記従来の構成は、複雑なパターンで焼入れを行うことが困難であるという問題も有していた。
【０００４】
本発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、大面積の焼入れを短時間で行えるレーザ焼入れ方法およびレーザ焼入れ装置を提供することを第１の目的としている。また、本発明は、複雑なパターンの焼入れを容易に行うことができるレーザ焼入れ方法およびレーザ焼入れ装置を提供することを第２の目的としている
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明者は、従来のレーザ焼入れ技術の問題点を解決すべく鋭意検討を行った。その結果、複数の半導体レーザを同時に使用することにより、従来のレーザ焼入れ方法における課題を解決できることに気づいた。
【０００６】
従来のレーザ装置（赤外線レーザやＹＡＧレーザ）は、大型かつ高価であるという特徴がある。その上、従来のレーザ装置のレーザ光は赤外線であり、金属等の反射率が高いという問題があった。赤外線レーザでレーザ加工を行うためには高い出力を持つ非常に大型の装置が必要となる。装置が大型・高価であるため、複数のビームを同時に使用して焼入れを行うことは技術的・経済的に困難であった。
【０００７】
半導体レーザは従来のレーザと全く異なる原理でレーザビームを生成する技術である。半導体レーザは効率や大きさの点で従来のレーザ装置に比べて優れてはいるものの、出射されるビームの断面が楕円であるという特性があった。この特性が一因となり、半導体レーザは、光通信、光ディスク装置やレーザプリンタの光源など、極めて低出力の用途に限定的に使用されてきた。しかし、焼入れに用いられるレーザについては、十分な強度が確保できさえすればよく、位置や大きさの精度に関する要求度は高くない。発明者らはこの点に着目し、半導体レーザを焼入れに利用することに想到した。
【０００８】
半導体レーザは、エネルギー変換効率が高いため大規模な冷却機構が不要であること、ミラー系が不要であること等の理由から、装置を小型化できるという特徴を備えている。半導体レーザの波長は可視光であるため、加工面での反射率が低く、低出力でもレーザ加工が可能になるという利点もある。半導体レーザによれば装置を小型化・低コスト化でき、複数のレーザビームを同時に使用した焼入れを行うことが可能となる。例えば、複数の半導体レーザを並べれば断面が一本のライン状のビーム（ラインビーム）を作ることができる。ラインビームを複数本並べ、各ラインビームの間を埋めるように走査すれば、面的な焼入れを極短時間で行うことが可能となる。ビームの配列を調整すれば、複雑なパターンでの焼入れも容易となる。
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明に係るレーザ焼入れ方法は、レーザ照射装置の１以上の半導体レーザで発生したレーザビームを、複数の楕円形のスポットが配列されたスポットパターンがワーク上に形成されるように前記ワークに照射し、前記スポットパターンにより、前記ワークを焼き入れする。かかる方法では、大面積の焼入れを短時間で行うことができ、複雑なパターンの焼入れも容易に行うことができる。
【００１０】
また、上記レーザ焼き入れ方法において、各々の前記スポットは、複数の前記半導体レーザから出射されたレーザビームを集光することにより形成されてもよい。かかる方法では、１個のスポットにおけるレーザビームの強度を高めることが可能となる。
【００１１】
また、上記レーザ焼き入れ方法において、前記複数の半導体レーザが半導体レーザバーを構成していてもよい。かかる方法では、半導体レーザバーにより生じる楕円形のレーザビームを利用できる。
【００１２】
また、上記レーザ焼き入れ方法において、前記レーザビームの照射は、前記スポットパターンが前記ワーク上を相対的に移動するようにして行われてもよい。かかる方法では、より広い面積の焼き入れを行うことが可能となる。
【００１３】
また、上記レーザ焼き入れ方法は、前記スポットパターンにおいて、前記複数のスポットが、前記スポットパターンの移動方向に交差するある方向に並ぶように配列されてもよい。かかる方法では、幅広い帯状の焼き入れが可能となり、短時間で大面積の焼き入れが可能となる。
【００１４】
また、上記レーザ焼き入れ方法において、前記スポットパターンは、前記ワーク上を時間的に連続的に移動してもよい。かかる方法では、一列のスポットにより幅広い帯状の焼入れが可能となり、少ない個数のレーザ装置で大面積の焼き入れが可能となる。
【００１５】
また、上記レーザ焼き入れ方法は、前記スポットパターンにおいて、前記複数のスポットが、前記スポットパターンの移動方向に平行な１以上の直線と該移動方向に交差するある方向に平行な複数の直線との各交点上に位置するように配列されてもよい。かかる方法では、二次元的にスポットが配列されるため、より大面積の焼入れを短時間で行うことが可能となる。
【００１６】
また、上記レーザ焼き入れ方法において、前記スポットパターンを、前記スポットパターンの移動方向における前記スポットの間隔に略等しい距離だけ移動させてもよい。かかる方法では、二次元的に配列されたスポットを隙間なく走査することで、大面積かつ均一な焼き入れを短時間で行うことが可能となる。
【００１７】
また、上記レーザ焼き入れ方法において、前記楕円形のスポットは、その長軸又は短軸が前記スポットパターンの移動方向に沿うように配列されてもよい。かかる方法では、スポット同士を接するようにスポットパターンや走査方向および走査距離を調整しやすく、大面積かつ均一な短時間での焼入れをより容易に行うことが可能となる。
【００１８】
また、本発明のレーザ焼入れ装置は、ワークを保持するワーク保持具と、複数の半導体レーザを有し該複数の半導体レーザから出射されるレーザビームを集光する複数のレーザユニットを備えたレーザ照射装置と、前記ワーク保持具と前記レーザ照射装置とを相対的に移動させる移動機構と、を備え、前記レーザ照射装置において、前記複数のレーザユニットが、各々の前記レーザビームを集光して、前記ワーク保持具に保持されたワーク上に楕円形のスポットを形成しかつ全ての該楕円形のスポットが配列されてスポットパターンを形成することが可能なように配設されている。かかる構成では、大面積の焼入れを短時間で行うことができ、複雑なパターンの焼入れも容易に行うことができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明は、上述のような構成を有し、以下のような効果を奏する。すなわち、本発明のレーザ焼入れ方法およびレーザ焼入れ装置によれば、大面積の焼入れを短時間で行える。また、複雑なパターンの焼入れを容易に行うこともできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
（第１実施形態）
［装置構成］
図１は、本発明の第１実施形態のレーザ焼入れ装置１００の構成の一例を示す概念図である。以下、図１を参照しながら、本実施形態のレーザ焼入れ装置１００について説明する。
【００２１】
図１に示す通り、本実施形態に係るレーザ焼入れ装置１００は、複数のレーザユニット１０１を備えたレーザ照射装置１０２と、直流電源１０３と、制御装置１０４と、駆動装置１０５と、ワーク保持台１０６（ワーク保持具）とを備えている。レーザユニット１０１は、半導体レーザバー１０７と、マイクロレンズアレイ１０８と、集光レンズ１０９とを有している。
【００２２】
半導体レーザバー１０７の複数のレーザ出射部のそれぞれを覆うように配列された複数のマイクロレンズ（凸レンズ）を備えるマイクロレンズアレイ１０８が配設され、その前方に一つの集光レンズ１０９が配設される。マイクロレンズアレイ１０８と集光レンズ１０９とにより集光系が構成され、半導体レーザバー１０７の複数のレーザ出射部から出射される複数のレーザビームを集光する。符号１２１は、各集光レンズ１０９の光軸を示す。全てのレーザユニット１０１は、直流電源１０３に互いに独立に接続され、直流電力が供給される。本実施形態では、全てのレーザユニット１０１に同じ量の電流が流される。各レーザユニット１０１への供給電流は独立に制御可能としてもよい。直流電源１０３は制御装置１０４に接続され、ＯＮ／ＯＦＦおよび出力が制御される。制御装置１０４は駆動装置１０５にも接続され、駆動装置１０５を制御することでワーク保持台１０６を水平方向に自在に駆動する。駆動装置１０５とワーク保持台１０６により、ワーク駆動装置１１０（走査装置）が構成される。使用時には、ワーク保持台１０６の上にワーク１１１が保持される。
【００２３】
ワーク保持台１０６は、例えば、周知のＸ−Ｙテーブルで構成され、駆動装置１０５は、例えば、このＸ−Ｙテーブルの駆動装置で構成される。制御装置１０４は、例えば、マイコンあるいはパソコンで構成される。
【００２４】
図２は、図１のレーザ照射装置１０２の斜視図である。図２に示すように、レーザ照射装置１０２は、複数のレーザユニット１０１と、保持部材１１２とを有する。保持部材１１２は、球面の一部を成すように湾曲した板形状を有する。レーザユニット１０１は全部で９本備えられているが、図では奥のレーザユニット１０１が隠れて見えなくなっている。レーザユニット１０１は、保持部材１１２の内面に、それぞれの集光レンズ１０９の光軸が保持部材１１２の球面の中心を向くように、保持部材１１２の厚み方向から見て３×３の格子状に配設される。ここで、本発明において「格子状に配置される」とは、平面内において互いに平行なある直線群と、互いに平行な他の直線群とが直交して形成される交点群上に位置するように配置されることを言う。保持部材１１２は例えば銅からなる。レーザユニット１０１は、ネジ等の固定手段により保持部材１１２に固定される。典型的には、多数のパンチング穴を有するように保持部材１１２が構成され、ネジ等を用いてレーザユニット１０１がパンチング穴に固定される。球面の半径は、集光レンズ１０９の焦点が球面のほぼ中心にくるように設計される。すなわち、球面の半径は、ユニットの長さと集光レンズ１０９の焦点距離の和にほぼ等しい。使用時には、各レーザユニット１０１から出射されたレーザビームが、球面の中心に置かれたワーク１１１上の狭い領域に集中する。
【００２５】
図３は、本発明の第１実施形態におけるレーザユニット１０１の内部構造を示すＸ−Ｚ断面図である。図４は、本発明の第１実施形態におけるレーザユニット１０１の内部構造を示すＸ−Ｙ断面図である。ここで、以下の説明において、Ｘ軸は、集光レンズ１０９の光軸１２１に沿った方向（半導体レーザバー１０７の長手方向）である。Ｙ軸方向は、半導体レーザバー１０７の幅方向である。Ｚ軸方向は半導体レーザバー１０７の厚み方向である。以下、図３および図４を参照しつつ、レーザユニット１０１の構造を説明する。
【００２６】
図３および図４に示すように、レーザユニット１０１は、円筒状のケース１１３と、半導体レーザバー１０７と、マイクロレンズアレイ１０８と、集光レンズ１０９とを有する。ケース１１３は、その一端に集光レンズ１０９を有している。半導体レーザバー１０７は、ケース１１３の内部に図示されない保持手段（取り付け部材等）を介して保持される。集光レンズ１０９には例えば焦点距離５０ｍｍのガラスレンズが用いられる。
【００２７】
半導体レーザバー１０７の後述する複数の出射部から出射されたレーザビームは、Ｚ軸方向に約９０度（プラス方向およびマイナス方向にそれぞれ約４５度ずつ）、Ｙ軸方向に約１０度（プラス方向およびマイナス方向にそれぞれ約５度ずつ）拡がる。それぞれのレーザビームは、マイクロレンズアレイ１０８によりほぼ平行なビーム（互いに平行な光線からなるビーム）に成形される。この平行ビームは、集光レンズ１０９を通過し、集光レンズ１０９からＸ軸方向に約５０ｍｍ前方の焦点１１７にほぼ集光する。
【００２８】
図５は、半導体レーザバー１０７の構造の一例を示す斜視図である。半導体レーザバー１０７は、ここでは、出力２Ｗ、波長８０８ｎｍ、長さ１００μｍの半導体レーザチップ１１４を、２０個、２００μｍおきに並べ合計４０Ｗとし、幅１０ｍｍ、長さ５０ｍｍ、厚さ０．５ｍｍの銅板１１５で挟持した構造を有する。各半導体レーザチップ１１４は、その共振器長方向がＸ方向に一致し、その横方向がＹ方向に一致し、かつその活性層の厚み方向がＺ方向に一致するように配置されている。そして、各半導体レーザチップのレーザビームの出射端面が上述の半導体レーザバー１０７の各出射部を構成している。半導体レーザチップ１１４は、銅板１１５の一端に保持される。２枚の銅板１１５は絶縁されており、両者間に直流電圧を印加することで、半導体レーザチップ１１４を通じて電流が流れ、レーザビームが出射される。銅板１１５は、保持部材１１２と電気的に絶縁され、かつ、熱交換可能に接続されている。銅板１１５は冷却機構も兼ねており、銅版１１５により除去された熱は、保持部材１１２および空気中に放熱され、半導体レーザチップ１１４の過熱を防ぐことができる。
【００２９】
マイクロレンズアレイ１０８は、半導体レーザバー１０７において半導体レーザチップ１１４が並ぶ端面に接着剤により接着される。マイクロレンズアレイ１０８には、２０個のマイクロレンズが半導体レーザチップ１１４のそれぞれに対応するように並んだプラスチックレンズが用いられる。各マイクロレンズは、その対応する半導体レーザチップ１１４の光軸（出射するレーザビームの中心軸）に光軸が一致するように形成されている。
［レーザビームの形状］
図６は、一つのレーザユニット１０１から出射されたレーザビームの、焦点付近を通るＹ−Ｚ平面上のスポット（レーザビームの断面）を示す図である。図７は、図６のＹ軸上におけるレーザビームの強度（Ａ）の分布を示す図である。図８は、図６のＺ軸上におけるレーザビームの強度（Ａ）の分布を示す図である。以下、図６乃至図８を用いて、本実施形態におけるレーザビームの特徴について説明する。
【００３０】
図６に示すように、本実施形態におけるレーザビームは略楕円形の断面形状を有する。この楕円の長軸はＹ方向に、短軸はＺ方向にそれぞれ延在する。以下、この楕円形のスポットを楕円スポット１１６と呼ぶ。１つの楕円スポット１１６は、２０個の半導体レーザチップ１１４から出射されたレーザビームが重なり合ってできている。半導体レーザチップ１１４が並ぶ方向（Ｙ軸方向）は、楕円の長軸方向と一致している。
【００３１】
図７に示すように、Ｙ軸上でのレーザビームの強度分布を見ると、上部が平たい台地状の分布を有する。台地状の分布は、ほぼ等しい強度を有する複数の半導体レーザチップ１１４から出射されるレーザビームを並べた結果として生じる特徴である。平坦な強度分布を利用することにより、大面積の焼入れを効率よく行うことが可能となる。なお、図８に示すように、Ｚ軸上ではレーザビームの強度分布はほぼガウス分布となる。Ｙ軸上でも一つの半導体レーザチップ１１４からのレーザビームのみを取り出せばレーザビームの強度分布はほぼガウス分布となる。
【００３２】
図９は、３つのレーザユニット１０１から出射されたレーザビームの、焦点付近を通るＹ−Ｚ平面上のスポット（レーザビームの断面）を示す図である。図１０は、図９のＹ軸上におけるレーザビームの強度（Ａ）の分布を示す図である。図１１は、図９のＺ軸上におけるレーザビームの強度（Ａ）の分布を示す図である。図１０において、実線は３つのレーザユニット１０１からのレーザビームを足し合わせたもの、点線はそれぞれのレーザユニット１０１からのレーザビームの本来の強度分布を示す。図９乃至図１１では、典型例として３つのレーザユニット１０１がほぼ平行に配設された場合を示す。このためそれぞれの楕円スポット１１６はほぼ同じ大きさおよび形状となっている。以下、図９乃至図１１を用いて、楕円スポットが互いに接するように配列された場合の特徴について説明する。
【００３３】
図９に示すように、３つのレーザユニット１０１から出射されたレーザビームは、Ｙ軸上に並んで互いに接する。１個１個の楕円スポット１１６が図６の楕円スポット１１６に相当する。図１０に示すように、３つの楕円スポット１１６は接する部分で重なり合い、結果として３倍の幅を持つ台地状の強度分布が生じる。幅の広い強度分布を利用することで、さらに大面積の焼入れを効率よく行うことが可能となる。なお、図１１に示すように、Ｚ軸上では各レーザビームの強度分布はほぼガウス分布となる。
［焼入れ方法］
以下、本実施形態のレーザ焼入れ装置１００を用いたレーザ焼入れ方法について説明する。本実施形態のレーザ焼入れ方法においては、まず、ワーク１１１をワーク保持台１０６の上に載置する。ワーク保持台１０６の位置は、ワーク１１１の焼入れ面が集光レンズ１０９の焦点（保持部材１１２の中心）にほぼ位置するように調整されている。
【００３４】
次に、制御装置１０４により直流電源１０３の出力を調整し、レーザユニット１０１から微弱なレーザビームを照射する。各レーザユニット１０１からのレーザビームは、焼入れ面上の狭い領域に集中する。制御装置１０４を用いてワーク駆動装置１１０を駆動し、またレーザユニット１０１の位置（角度を含む）を調整し、それぞれの楕円スポット１１６の大きさが１ｍｍ×２００μｍ程度になるように調整する。同時に、それぞれの楕円スポット１１６が所望のパターンに配列するようにレーザユニット１０１を配置する。以下、ワーク１１１の焼入れ面は平坦であるとして説明する。レーザユニット１０１の光軸１２１は、ワーク保持台１０６の上面（あるいはワーク１１１の焼入れ面）に必ずしも垂直である必要はなく、若干斜めのものもある。特に、焼入れ面からの反射光がレーザ装置に戻ることが問題となる場合には、光軸１２１を、焼入れ面と直交する軸から１０度から１５度程度傾けることが好ましい。しかしながら以下の説明では、便宜上、光軸１２１は焼入れ面にほぼ垂直に近いものとし、ワーク保持台１０６は近似的にＺ−Ｙ平面上を駆動されるものとみなすこととする。以下、楕円スポット１１６の短軸方向をＺ軸方向（縦）、長軸方向をＹ軸方向（横）とする。
【００３５】
図１２は、本発明の実施形態１におけるスポットパターン１３１の構成方法および走査方法の一例を示す模式図である。図１２に示すように、スポットパターン１３１は、３個の楕円スポット１１６が長軸方向において順に接して１本の横の列をなし、合計３本の列が形成されるように構成されている。そして、このようなスポットパターン１３１がワーク１１１の上に形成されるように、ワーク１１１やレーザユニット１０１の位置が調整されている。本実施形態では、図９乃至図１０に示すように３個の楕円スポット１１６が順に接し、レーザビームの強度がＹ軸方向に一定になるように調整される。それぞれの列の楕円スポット１１６は互いに平行で、１列目と２列目、２列目と３列目の列同士のピッチＰおよびそれぞれの楕円スポット１１６の間隔Ｄはそれぞれ等しく調整される。
【００３６】
次に、制御装置１０４によりレーザユニット１０１の出力を上げて、焼入れモードとする。同時に、ワーク駆動装置１１０を駆動し、ワーク１１１上で楕円スポット１１６を短軸方向（Ｚ軸方向）に走査する。レーザの出力やワーク１１１の素材にもよるが、１０ｍｍ／ｓｅｃ程度の走査で焼入れを行うことができる。走査は、図１２に示すように一つの楕円スポット１１６（実線）が、その楕円スポット１１６に隣接する楕円スポット１１６により照射された部分に接するまで（破線に重なるまで）短軸方向に行う。すなわち、走査方向における楕円スポット１１６の間隔Ｄに略等しい距離だけ、スポットパターン１３１の走査が行われる。これにより、９個の楕円スポット１１６により走査された部分が、均一に焼入れされる（均一に焼入れされるように、走査距離や走査速度、楕円スポットの配置等が調整される）。
［効果］
以上の方法によれば、９個のレーザで同時に焼入れ面を走査するため、１個のレーザを用いた場合よりも９倍速く焼入れを行うことができる。レーザユニット１０１の数を増やし、一列に多数の楕円スポット１１６を並べれば、同じ時間でさらに広い面積を焼入れできる。３列ではなく５列、１０列等、楕円スポット１１６の列の数を増やしても、大面積の焼入れを極めて容易かつ高速に行うことができる。すなわち、本実施形態によれば、大面積の焼入れを短時間で行うことができる。かかる効果は、半導体レーザが従来のレーザと比較して極めて小型かつ安価であることから初めて可能となったものである。
【００３７】
また、走査後に一度レーザをＯＦＦとし、ワーク１１１を新たな焼入れ開始場所に移動させて、再度焼入れを行えば、同じ部材についてさらに広い面積の焼入れを行うことができる。すなわち、焼入れ面を区分けし、区分ごとに焼入れを行う。各区分については、複数のレーザユニット１０１により高速の焼入れが可能であるため、結果として大面積の焼入れを高速で行うことができる。この走査は、制御装置１０４に予めその走査方法をプログラムしておくことにより、あるいは制御装置１０４をティーチングすることにより、自動的に行うことができる。
【００３８】
なお、本実施形態においては、レーザユニットの位置を手作業により調整する。同じ種類のワーク（製品）であれば、調整を一度行えば、再度の調整は必要ない。同一規格の製品（芝刈り機の刃等）を大量生産する場合、まず焼入れの対象となる部材の大きさや焼入れパターンに合わせて、レーザユニット１０１の本数や位置（角度を含む）、ワーク保持台１０６の高さや傾き等の調整を行う。一度調整が完了すれば、その後は調整をほとんど行わなくても、連続して複数の部材につき焼入れを行うことができる。よって、本実施形態のレーザ焼入れ装置およびレーザ焼入れ方法は、大量生産品の焼入れに極めて有効である。
【００３９】
さらに、上述の装置および方法は、光学系（集光系）が１個のマイクロレンズアレイ１０８と１枚の集光レンズ１０９からなる非常に簡潔な構成であるため、レーザビームのロスが少ない。ロスが多いと光学系がレーザのエネルギーを吸収して過熱し、破損しやすくなる。光学系を簡潔にすることで、ロスが減り、装置の寿命が長くなる。
［変形例１］
本変形例は、スポットパターン１３１において、楕円スポット１１６が短軸方向に互いに接するように配列するものである。図１３は、スポットパターン１３１の構成方法および走査方法の変形例１を示す模式図である。図１３に示すように、変形例１では３個の楕円スポット１１６が短軸方向に接して１本の縦の列をなし、合計３本の列が形成されるように、ワーク１１１の位置やレーザユニット１０１の角度等が調整されている。変形例１では、３個の楕円スポット１１６が順に接し、レーザビームの強度がＺ軸方向に一定になるように調整される。それぞれの列の楕円スポット１１６は互いに平行で、１列目と２列目、２列目と３列目の列同士のピッチＰ’およびそれぞれの楕円スポット１１６の間隔Ｄ’はそれぞれ等しく調整される。
【００４０】
走査は、図１３に示すように一つの楕円スポット１１６（実線）が、その楕円スポット１１６に隣接する楕円スポット１１６により照射された部分に接するまで（破線に重なるまで）長軸方向に行う。すなわち、走査方向における楕円スポット１１６の間隔Ｄ’に略等しい距離だけ、スポットパターン１３１の走査が行われる。これにより、９個の楕円スポット１１６により走査された部分が、均一に焼入れされる。
【００４１】
変形例１では、図１２に比べ走査方向のビーム幅が狭くなっているが、その分だけビームが走査方向に長い。このため同じ走査速度であれば、同一部位がより長時間レーザを照射されることになる。照射時間が長ければ、焼入れ面の温度をより高くできるため、焼入れ表面を溶融させる様式の焼き入れに特に効果的である。あるいは、図１２の場合よりも走査速度が速くても、同程度の焼入れが可能となるため、さらに高速な焼入れが可能となる。
［変形例２］
本変形例は、楕円スポット１１６を所定の間隔をあけて配置して、縞状の焼入れを行うものである。図１４は、スポットパターン１３１の構成方法および走査方法の変形例２を示す模式図である。図１４に示すように、変形例２では９個の楕円スポット１１６がお互いに接しないように、ワーク１１１の位置やレーザユニット１０１の角度等が調整されている。それぞれの横の列の楕円スポット１１６は互いに平行で、１列目と２列目、２列目と３列目の列同士のピッチＰおよびそれぞれの楕円スポット１１６の間隔Ｄはそれぞれ等しく調整される。
【００４２】
走査は、図１４に示すように一つの楕円スポット１１６（実線）が、その楕円スポット１１６に隣接する楕円スポット１１６により照射された部分に接するまで（破線に重なるまで）長軸方向に行う。すなわち、走査方向における楕円スポット１１６の間隔Ｄに略等しい距離だけ、スポットパターン１３１の走査が行われる。これにより、９個の楕円スポット１１６により走査された部分が、均一に焼入れされる。
【００４３】
変形例２では、焼入れされる部分が３個の矩形部分（帯）に分かれており、走査軸と直行する軸に沿って、焼入れされている部位と焼入れされていない部位とが交互に形成される。
［変形例３］
本変形例は、レーザユニット１０１を３個とし、楕円スポット１１６を格子状ではなく、直線状に配列して帯状の焼入れを行うものである。図１５は、スポットパターン１３１の構成方法および走査方法の変形例３を示す模式図である。変形例３では、図９乃至図１０に示すように３個の楕円スポット１１６が順に接し、レーザビームの強度がＹ軸方向に一定になるように調整される。
【００４４】
走査は、図１５に示すようにＺ軸方向に一定の速度で行われる。変形例３では、広い幅に亘り、均一な焼入れを行うことが可能となる。３個でなく５個、１０個等、レーザユニット１０１の数を増やして、楕円スポット１１６の列を長くすれば、非常に大きな面積の焼入れを一度に行うことができる。
［変形例４］
本変形例は、楕円スポット１１６を格子状ではなく、より複雑なパターンに配列して焼入れを行うものである。図１６は、スポットパターン１３１の構成方法の変形例４を示す模式図である。変形例４では、レーザユニットの数を６個とし、楕円スポット１１６が波上に配列される。なお、楕円スポット１１６の配列パターンは任意に設定可能であり、図１６に示すような波状のパターンに限られず、あらゆるパターンで焼入れを行うことができる。変形例４では走査が行われず、ワーク１１１の位置は固定されたまま焼入れが行われる。複数のレーザを同時に照射することで、より短時間（例えば１秒前後）で焼入れが完了する。よって、任意の複雑なパターンの焼入れを極めて短時間で行うことが可能となる。かかる方法は、波状の刃への焼入れなど、複雑な形状をした製品の加工に極めて有効である。
［その他の変形例］
走査装置は、ワークを水平方向に加え上下方向にも駆動可能な構成であってもよい。ワークが固定されレーザ照射装置が駆動されてもよい。すなわち、レーザビームによるワークの走査は、レーザ走査装置とワークのいずれ（あるいは両者）を駆動することにより行われてもよい。焼入れの対象が特定されている場合には、走査装置が単一の方向のみに走査可能な構成であってもよい。
【００４５】
レーザユニットの個数はいくつであってもよい。より多くのレーザユニットを用いることで、より大面積の焼入れをより短時間で行うことができる。集光系はどのようなものであってもよく、集光レンズの数が複数であってもよい。しかし、装置の寿命を長くするためには、マイクロレンズアレイと集光レンズの各１枚からなる等、集光系がなるべく単純な構成であることが望ましい。
【００４６】
各レーザユニットの出力は個別に制御されてもよい。個別の制御により、より精密な焼入れを行うことができる。一個の半導体レーザからのビームをスプリットすることにより複数の楕円スポットによるスポットパターンを構成してもよい。
【００４７】
楕円スポットは、走査方向に対して斜めであってもよい。駆動方向に平行な複数の直線（直線群ａ）と該移動方向に交差するある方向に平行な複数の直線（直線群ｂ）との各交点上に位置するように楕円スポット１１６が配列されてもよい。直線群ａと直線群ｂは必ずしも直交しなくてもよい。直線群ａと直線群ｂとが、いずれも駆動方向に平行でなくてもよい。ワークの焼入れ面が集光レンズの光軸に対して斜めである場合には、レーザビームの照射面上のスポットは必ずしも正規の楕円にならず、多少変形したりする場合もあるが、本発明はかかる場合も含む。すなわち、上述の説明における「楕円スポット」は、実質的に楕円形であればよい。
【００４８】
楕円スポットにおいて、走査方向と反対側の部分はすぐに照射範囲を外れてしまう一方で、走査方向側の部分は照射され続けることになり、焼きむらが生じる場合がある。この場合には、焼入れ面に捨て板を置いておき、最初は捨て板の上にビームを照射して走査を開始し、捨て板の外側まで走査を行う。かかる方法によれば、焼入れ面の照射時間が均一となり、むらのない均一な焼入れが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００４９】
本発明に係るレーザ焼入れ方法およびレーザ焼入れ装置は、大面積の焼入れを短時間で行え、複雑なパターンの焼入れを容易に行うこともできるレーザ焼入れ方法およびレーザ焼入れ装置として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の第１実施形態のレーザ焼入れ装置１００の構成の一例を示す模式図である。
【図２】本発明の第１実施形態におけるレーザ照射装置１０２の斜視図である。
【図３】本発明の第１実施形態におけるレーザユニット１０１の内部構造を示すＸ−Ｚ方向の断面図である。
【図４】本発明の第１実施形態におけるレーザユニット１０１の内部構造を示すＸ−Ｙ方向の断面図である。
【図５】半導体レーザバー１０７の構造の一例を示す斜視図である。
【図６】一つのレーザユニット１０１から出射されたレーザビームの、焦点付近を通るＹ−Ｚ平面上のスポット（レーザビームの断面）を示す図である。
【図７】図６のＹ軸上におけるレーザビームの強度（Ａ）の分布を示す図である。
【図８】図６のＺ軸上におけるレーザビームの強度（Ａ）の分布を示す図である。
【図９】３つのレーザユニット１０１から出射されたレーザビームの、焦点付近を通るＹ−Ｚ平面上のスポット（レーザビームの断面）を示す図である。
【図１０】図９のＹ軸上におけるレーザビームの強度（Ａ）の分布を示す図である。
【図１１】図９のＺ軸上におけるレーザビームの強度（Ａ）の分布を示す図である。
【図１２】本発明の実施形態１におけるスポットパターン１３１の構成方法および走査方法の一例を示す模式図である。
【図１３】スポットパターン１３１の構成方法および走査方法の変形例１を示す模式図である。
【図１４】スポットパターン１３１の構成方法および走査方法の変形例２を示す模式図である。
【図１５】スポットパターン１３１の構成方法および走査方法の変形例３を示す模式図である。
【図１６】スポットパターン１３１の構成方法の変形例４を示す模式図である。
【符号の説明】
【００５１】
１００  レーザ焼入れ装置
１０１  レーザユニット
１０２  レーザ照射装置
１０３  直流電源
１０４  制御装置
１０５  駆動装置
１０６  ワーク保持台
１０７  半導体レーザバー
１０８  マイクロレンズアレイ
１０９  集光レンズ
１１０  ワーク駆動装置
１１１  ワーク
１１２  保持部材
１１３  ケース
１１４  半導体レーザチップ
１１５  銅板
１１６  楕円スポット
１１７  焦点
１２１  光軸
１３１  スポットパターン
【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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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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