JP2003138314A

JP2003138314A - レーザ焼入れ装置

Info

Publication number: JP2003138314A
Application number: JP2001332993A
Authority: JP
Inventors: Tsunehiko Yamazaki; 恒彦山崎; Naotomi Miyagawa; 直臣宮川; Toshihiko Inoue; 利彦井上; Toshihiko Asari; 俊彦浅利
Original assignee: Yamazaki Mazak Corp
Current assignee: Yamazaki Mazak Corp
Priority date: 2001-10-30
Filing date: 2001-10-30
Publication date: 2003-05-14

Abstract

(57)【要約】【課題】トーチが複雑に移動しても、的確に焼入れ部位
の温度を測定し、当該部位の温度管理が可能なレーザ焼
入れ装置の提供。【解決手段】レーザ発振器２と集光レンズ２１との間の
導光手段３、９、１０、１２、１３、１６中に、焼入れ
部位から反射してくる反射光２９ａを選別するビームス
プリッタ２０を設け、該ビームスプリッタにより選別さ
れた反射光から焼入れ部位の温度を測定する温度測定手
段２２ａ、２２を設ける。ビームスプリッタにより、焼
入れ部位２７ａから反射してくる反射光を直接とらえて
温度を測定することが出来るので、集光レンズやワーク
がどのように相対移動しても、的確に焼入れ部位２７ａ
からの反射光を捕捉することが出来、複雑な追随機構な
ども設けることなく、焼入れ部位２７ａの正確な温度測
定が可能になる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、焼入れ部位の温度
を正確に測定し、当該焼入れ部位の温度を正確に管理す
ることの出来るレーザ焼入れ装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】最近、レーザ光線を用いて金属に焼入れ
を行う方法が提案されているが、焼入れを適切に行うに
は焼入れ部位の温度を正確に検出して、当該部位の温度
管理を行う必要がある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来のレーザ
焼入れ装置では、こうした温度管理を行っていない。ま
た、外部から焼入れ部位を赤外線センサなどで検知し
て、焼入れ部位の温度を測定する方法なども考えられる
が、レーザ光線が射出されるトーチは、３次元焼入れが
可能なように、複雑な動きをするために、センサを追従
させることが困難であり、実用的ではない。

【０００４】本発明は上記事情に鑑み、トーチが複雑に
移動しても、的確に焼入れ部位の温度を測定し、当該部
位の温度管理が可能なレーザ焼入れ装置を提供とするこ
とを目的とするものである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、レー
ザ発振器（２）を有し、該レーザ発振器から射出された
レーザ光（２９）を導く導光手段（３、９、１０、１
２、１３、１６）を設け、該導光手段に集光レンズ（２
１）を配置し、該集光レンズで前記レーザ光を集光し
て、ワーク（２７）の焼入れ部位（２７ａ）に照射する
ことにより焼入れを行う、レーザ焼入れ装置（１）にお
いて、前記レーザ発振器と集光レンズとの間の導光手段
中に、前記焼入れ部位から反射してくる反射光（２９
ａ）を選別するビームスプリッタ（２０）を設け、前記
ビームスプリッタに、該ビームスプリッタにより選別さ
れた反射光から前記焼入れ部位の温度を測定する温度測
定手段（２２ａ、２２）を設けて構成される。

【０００６】請求項２の発明は、前記ビームスプリッタ
と集光レンズとの間に、前記レーザ光を所定の幅（Ｗ
１）で振動させるビーム揺動手段（１６、１７、２５）
を設けて構成される。

【０００７】請求項３の発明は、前記温度測定手段は、
赤外線温度計（２２、２２ａ）で構成される。

【０００８】請求項４の発明は、前記集光レンズ（２
１）は、前記ワーク（２７）に対して、３次元方向に相
対的に移動駆動自在に設けられて構成される。

【発明の効果】請求項１の発明は、ビームスプリッタに
より、焼入れ部位（２７ａ）から反射してくる反射光を
直接とらえて温度を測定することが出来るので、集光レ
ンズやワークがどのように相対移動しても、的確に焼入
れ部位（２７ａ）からの反射光を捕捉することが出来、
複雑な追随機構なども設けることなく、焼入れ部位（２
７ａ）の正確な温度測定が可能になる。

【０００９】請求項２の発明は、ビーム揺動手段が、ビ
ームスプリッタと集光レンズとの間に設けられているの
で、ビームスプリッタは、ビーム揺動手段の上流側に位
置することとなり、ビーム揺動手段によりレーザ光が揺
動制御されたとしても、その反射光を的確に捕捉するこ
とが出来る。

【００１０】請求項３の発明は、光波を用いた温度測定
において一般的な赤外線温度計（２２）を用いることに
より、簡単な構成で温度測定が可能となる。

【００１１】請求項４の発明は、集光レンズ（２１）が
３次元方向に相対的に移動駆動自在であっても、温度測
定手段に反射光（２９ａ）を選別供給するビームスプリ
ッタは、導光手段中に設けられているので、集光レンズ
がどのような姿勢を取っても焼入れ部位（２７ａ）の温
度測定は的確に行うことが出来る。

【００１２】なお、括弧内の番号等は、図面における対
応する要素を示す便宜的なものであり、従って、本記述
は図面上の記載に限定拘束されるものではない。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例を図面に基
づき説明する。

【００１４】図１は本発明が適用されるレーザ焼入れ装
置の要部を示す概略斜視図である。

【００１５】レーザ焼入れ装置１は、図１に示すよう
に、レーザ発振器２を有しており、レーザ発振器２に
は、伸縮自在に設けられたダクト３を介して、サドル５
が接続している。サドル５は、図示しないコラムなどの
ガイド手段を介して水平方向であるＹ軸方向に移動駆動
自在に設けられており、サドル５には、焼入れヘッド７
が設けられ、更に、焼入れヘッド７は、サドル５に固着
された上部反射筒６を有している。

【００１６】上部反射筒６には、第１反射鏡９が設けら
れており、上部反射筒６には、ダクト１０が、上下方向
であるＺ軸方向に伸縮位置決め自在、かつ該Ｚ軸を中心
にしてＡ軸方向に回転駆動位置決め自在に設けられてい
る。ダクト１０の、図中下方には、下部反射筒１１が設
けられており、下部反射筒１１には、第２反射鏡１２が
設けられている。

【００１７】下部反射筒１１には、ダクト１３が水平方
向に伸延する形で設けられており、ダクト１３の先端に
は、側部反射筒１５が設けられている。側部反射筒１５
には、第３反射鏡１６が設けられており、第３反射鏡１
６にはミラー揺動装置１７が、第３反射鏡１６を、第２
反射鏡１２と第３反射鏡１６の間のレーザー光路１９に
垂直な揺動軸ＶＡを中心に矢印Ｄ、Ｅ方向に揺動自在に
接続されている。第３反射鏡１６と第２反射鏡１２の間
のダクト１３のレーザ光路１９中にはビームスプリッタ
２０が設けられており、更に、側部反射筒１５の下部に
は、集光レンズ２１が側部反射筒１５の下部に装着され
たトーチ２４を介して設けられている。

【００１８】ビームスプリッタ２０には、ピックアップ
２２ａを介して赤外線温度計２２が接続されており、赤
外線温度計２２には、ＮＣ装置２３が接続されている。
ＮＣ装置２３には、前述の、ミラー揺動装置１７に接続
されたミラー制御装置２５が接続されており、更に、Ｎ
Ｃ装置２３は、焼入れヘッド７を駆動するヘッド駆動装
置２６及びレーザ発振器２に接続されている。

【００１９】レーザ焼入れ装置１は、以上のような構成
を有するので、ワーク２７に焼入れを行う場合には、図
１に示すように、ワーク２７をトーチ２４の下方の、図
示しないワークテーブル上に搭載し、その状態で、ＮＣ
装置２３を介して、焼入れすべきワーク２７に対応して
予め生成された焼入れプログラムに基づいて焼入れ動作
を実行する。

【００２０】まず、ＮＣ装置２３は図示しないテーブル
を駆動して、ワーク２７を、Ｙ軸と直交する水平方向で
あるＸ軸方向に移動駆動させると共に、ヘッド駆動装置
２６を駆動して、焼入れヘッド７をＹ軸及びＺ軸方向に
移動駆動させ、下部反射筒１１を側部反射筒１５と共に
矢印Ａ方向に適宜回転駆動させ、更に側部反射筒１５を
矢印Ｂ方向に適宜回転駆動させて、ノズル２４をワーク
２７の焼入れを行う部位と対向させる。

【００２１】次に、ＮＣ装置２３は、レーザ発振器２に
対して、所定の出力でのレーザ光２９の発振を指令し、
これを受けて、レーザ発振器２はレーザ光２９を射出す
る。射出されたレーザ光２９は、ダクト３から第１反射
鏡９に入射して、該第１反射鏡９ににより図中下方に向
けて反射され、第２反射鏡で水平方向に更に反射されて
ビームスプリッタ２０を透過して、第３反射鏡１６に入
射する。

【００２２】第３反射鏡に入射したレーザ光２９は、第
３反射鏡で図中下方、即ちワーク２７方向に反射され、
集光レンズ２１で集光されて、ワーク２７に照射され
る。ワーク２７は、該レーザ光２９が照射されることに
より急激に加熱されて焼入れが行われる。

【００２３】この際、ワーク２７は、ＮＣ装置２３によ
り駆動される図示しない駆動機構により矢印Ｘ方向に所
定の送り速度で送られると共に、ＮＣ装置２３は焼入れ
プログラムで指示された焼入れ幅Ｗ１に基づいてミラー
制御装置２５を介してミラー揺動装置１７を駆動して、
第３反射鏡１６を矢印Ｄ、Ｅ方向に振動させる。する
と、第３反射鏡１６に入射されたレーザ光２９は、ワー
ク２７の送り方向である矢印Ｘ軸方向に対して直交する
方向に幅Ｗ１で振られ、ワーク２７は揺動するレーザ光
２９により幅Ｗ１の範囲で所定温度にまで加熱されて焼
入れが行われる。なお、ワーク２７のトーチ２４に対す
る相対移動方向は、説明を簡略化するために、Ｘ軸方向
としたが、トーチ２４のワーク２７に対する位置決めに
際した制御軸は、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸の直交３制御軸に加え
て、Ｚ軸回りの回転軸であるＡ軸、及びＹ軸回りの回転
軸であるＢ軸を制御軸としているので、ワーク２７に対
して任意の３次元位置決めが可能であり、ワーク２７に
対する焼入れ方向は３次元空間の、どのような方向でも
良い。

【００２４】この際、ワーク２７に対する焼入れ部位２
７ａに対して適切に焼入れが行われるには、当該焼入れ
部位２７ａの温度が正確に測定される必要があるが、焼
入れ部位２７ａの温度は、赤外線温度計２２により測定
される。赤外線温度計２２が測定する赤外線は、レーザ
光２９が現在レーザ光２９を照射している照射部位２７
ｂからの反射光２９ａの赤外線成分であり、該反射光２
９ａはワーク２７の照射部位２７ｂから集光レンズ２
１、第３反射鏡１６を介してビームスプリッタ２０に入
射し、該ビームスプリッタ２０で図中上方に反射されて
赤外線温度計２２のピックアップ２２ａに入射捕捉され
たものである。

【００２５】赤外線温度計２２は、ピックアップ２２ａ
により、現在レーザ光２９が照射されて焼入れが実際に
行われている焼入れ部位２７ａの温度をリアルタイムで
測定することが出来る。即ち、ピックアップ２２ａに反
射光２９ａを分光するビームスプリッタ２０は、レーザ
発振器２と、レーザ光２９をワーク２７の焼入れ部位２
７ａに対して揺動させるビーム揺動反射鏡である第３反
射鏡１６との間に配置されており、レーザ光２９が揺動
する第３反射鏡１６よりも下流の集光レンズ２１側には
配置されていないので、ワーク２７からの反射光２９ａ
は必ず、ワーク２７の焼入れ部位２７ａに対する入射経
路と逆の経路を辿って集光レンズ２１から第３反射鏡１
６に戻り、ビームスプリッタ２０に入射する。これによ
り、特別の追随機構を持たなくても、ピックアップ２２
ａは、常に焼入れ部位２７ａからの反射光２９ａを捕捉
することが出来、正確に当該焼入れ部位２７ａの温度を
測定することが出来る。なお、ビームスプリッタ２０の
位置は、反射光２９ａの減衰などを考えると、出来るだ
けビーム揺動反射鏡である第３反射鏡１６側に配置する
ことが望ましい。

【００２６】また、こうした構造は、トーチ２４が前述
の５軸制御により移動駆動されてワーク２７に対して様
々な姿勢をとる場合でも適用することが出来、トーチ２
４の姿勢がどのような場合でも、赤外線温度計２２は、
ビームスプリッタ２０を介して焼入れ部位２７ａの温度
を捕捉することが出来る。なお、本発明による、ビーム
スプリッタ２０は、レーザ光２９を揺動させるビーム揺
動反射鏡が設けられていないタイプの焼入れ装置の場合
には、集光レンズ２１とレーザ発振器２との間のどの位
置に配置しても良いが、反射光２９ａの減衰などを考え
ると、出来るだけ集光レンズ２１側に配置することが望
ましい。

【００２７】赤外線温度計２２が、焼入れ部位２７ａの
温度を測定したところで、当該温度が焼入れプログラム
で設定された焼入れ温度に達しているか否かを、ＮＣ装
置２３が判定し、適宜レーザ発振器２の出力を調整した
り、またワーク２７の送り速度を調整し、更には、ミラ
ー揺動装置１７によるレーザ光の揺動サイクルを調整し
て、焼入れ部位２７ａが焼入れプログラムで指定された
焼入れ温度になるように適切に制御する。

【００２８】なお、上述の実施例は、ビームスプリッタ
２０が、レーザ発振器２からのレーザ光はそのまま透過
して、ワーク２７の焼入れ部位２７ａからの反射光２９
ａは反射する形のものを用いたが、ビームスプリッタ２
０の反射形式は、どのような反射形式のものを用いても
よい。

【００２９】また、焼入れ部位２７ａの温度測定手段と
しては、赤外線温度計２２の他、反射光２９ａの波長か
ら焼入れ部位２７ａの温度を測定することが出来る限
り、どのような温度計を用いてもよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は本発明が適用されるレーザ焼入れ装置の
要部を示す概略斜視図である。

【符号の説明】

１……レーザ焼入れ装置２……レーザ発振器３、１０、１３……導光手段（ダクト）９……導光手段（第１反射鏡）１２……導光手段（第２反射鏡）１６……導光手段、ビーム揺動手段（第３反射鏡）１７……ビーム揺動手段（ミラー揺動装置）２０……ビームスプリッタ２１……集光レンズ２２……温度測定手段（赤外線温度計）２２ａ……温度測定手段（ピックアップ）２５……ビーム揺動手段（ミラー制御装置）２７……ワーク２７ａ……焼入れ部位２９……レーザ光２９ａ……反射光

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者井上利彦愛知県丹羽郡大口町大字小口字乗船１番地ヤマザキマザック株式会社本社工場内 (72)発明者浅利俊彦愛知県丹羽郡大口町大字小口字乗船１番地ヤマザキマザック株式会社本社工場内Ｆターム(参考） 4K034 AA04 DA06

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】レーザ発振器を有し、該レーザ発振器か
ら射出されたレーザ光を導く導光手段を設け、該導光手
段に集光レンズを配置し、該集光レンズで前記レーザ光
を集光して、ワークの焼入れ部位に照射することにより
焼入れを行う、レーザ焼入れ装置において、前記レーザ発振器と集光レンズとの間の導光手段中に、
前記焼入れ部位から反射してくる反射光を選別するビー
ムスプリッタを設け、前記ビームスプリッタに、該ビームスプリッタにより選
別された反射光から前記焼入れ部位の温度を測定する温
度測定手段を設けて構成した、レーザ焼入れ装置。
【請求項２】前記ビームスプリッタと集光レンズとの
間に、前記レーザ光を所定の幅で振動させるビーム揺動
手段を設けて構成した、請求項１記載のレーザ焼入れ装
置。
【請求項３】前記温度測定手段は、赤外線温度計であ
る、請求項１記載のレーザ焼入れ装置。
【請求項４】前記集光レンズは、前記ワークに対し
て、３次元方向に相対的に移動駆動自在に設けられてい
る、請求項１記載のレーザ焼入れ装置。