JP2007063606A - Quenching method and quenching apparatus using semiconductor laser beam - Google Patents

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a laser beam quenching method with which the quenching in a large area is performed in a short time, and a laser beam quenching method and an apparatus with which the quenching having a complicated pattern can easily be performed. <P>SOLUTION: A plurality of laser beam units having semiconductor laser beam bars and condenser systems, are set so that the condenser systems direct inward, and elliptic spots of the laser beams emitted from the laser beam units are arranged on the quenching surface of a workpiece in order to perform the quenching. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

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。   The present invention relates to a quenching method and a quenching apparatus. More specifically, the present invention relates to a quenching method and a quenching apparatus using a semiconductor laser.

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。
再表０２／００９９０４号公報 As a method of quenching with a laser, there is a laser processing method disclosed in Patent Document 1. In this laser processing method, a plurality of laser diode arrays are arranged so that a laser beam can be irradiated in the width direction of the processing site, and the beam intensity of each laser diode array is controlled according to the position in the width direction of the processing site. Then, the processing region is irradiated while moving the laser diode array in the longitudinal direction of the processing region. According to this method, problems such as poor welding caused by the difference in heat input distribution depending on the position in the width direction can be solved.
No. 02/009904

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。   However, if a large area is to be quenched using the conventional configuration, the entire surface must be scanned with a single line beam (line beam), and processing takes time. Had. Further, the conventional configuration has a problem that it is difficult to perform quenching with a complicated pattern.

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   The present invention has been made to solve the above-described problems, and has as its first object to provide a laser quenching method and a laser quenching apparatus capable of quenching a large area in a short time. The second object of the present invention is to provide a laser quenching method and a laser quenching apparatus that can easily quench a complex pattern.

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。   The inventor has intensively studied to solve the problems of the conventional laser hardening technique. As a result, it has been found that the problem in the conventional laser hardening method can be solved by using a plurality of semiconductor lasers simultaneously.

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。   Conventional laser devices (infrared lasers and YAG lasers) are characterized by being large and expensive. In addition, the laser beam of the conventional laser device is infrared, and there is a problem that the reflectivity of metal or the like is high. In order to perform laser processing with an infrared laser, a very large apparatus having a high output is required. Since the apparatus is large and expensive, it is technically and economically difficult to perform quenching using a plurality of beams simultaneously.

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。   A semiconductor laser is a technique for generating a laser beam based on a principle completely different from that of a conventional laser. Although semiconductor lasers are superior to conventional laser devices in terms of efficiency and size, they have the characteristic that the cross section of the emitted beam is an ellipse. Partly due to this characteristic, semiconductor lasers have been used only for extremely low output applications such as optical communication, optical disk devices and laser printer light sources. However, the laser used for quenching only needs to ensure sufficient strength, and the required degree of position and size accuracy is not high. The inventors focused on this point and came up with the idea of using a semiconductor laser for quenching.

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。   The semiconductor laser has a feature that the apparatus can be miniaturized because a large-scale cooling mechanism is unnecessary because the energy conversion efficiency is high and a mirror system is unnecessary. Since the wavelength of the semiconductor laser is visible light, there is an advantage that the reflectance on the processed surface is low and laser processing is possible even at a low output. According to the semiconductor laser, the apparatus can be reduced in size and cost, and quenching using a plurality of laser beams at the same time can be performed. For example, if a plurality of semiconductor lasers are arranged, a line-shaped beam (line beam) having a single cross section can be formed. If a plurality of line beams are arranged and scanned so as to fill the space between the line beams, the surface quenching can be performed in an extremely short time. If the arrangement of the beams is adjusted, quenching with a complicated pattern becomes easy.

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。   In order to solve the above-mentioned problems, a laser hardening method according to the present invention forms a laser beam generated by one or more semiconductor lasers of a laser irradiation apparatus, and forms a spot pattern on a workpiece in which a plurality of elliptical spots are arranged. The workpiece is irradiated as described above, and the workpiece is quenched by the spot pattern. In such a method, large area quenching can be performed in a short time, and complex patterns can be easily quenched.

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。   In the laser quenching method, each of the spots may be formed by condensing laser beams emitted from a plurality of the semiconductor lasers. In such a method, the intensity of the laser beam at one spot can be increased.

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。   In the laser quenching method, the plurality of semiconductor lasers may constitute a semiconductor laser bar. In such a method, an elliptical laser beam generated by the semiconductor laser bar can be used.

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。   In the laser quenching method, the laser beam irradiation may be performed such that the spot pattern relatively moves on the workpiece. With this method, it is possible to perform quenching over a larger area.

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。   In the laser quenching method, the spot pattern may be arranged such that the plurality of spots are arranged in a certain direction intersecting a moving direction of the spot pattern. In such a method, wide band-like quenching is possible, and a large area can be quenched in a short time.

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。   In the laser quenching method, the spot pattern may move continuously over the workpiece in time. In such a method, a wide band-like quenching can be performed by a single row of spots, and a large area can be quenched by a small number of laser devices.

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。   Further, in the laser quenching method, in the spot pattern, the plurality of spots includes one or more straight lines parallel to the moving direction of the spot pattern and a plurality of straight lines parallel to a certain direction intersecting the moving direction. You may arrange | position so that it may be located on each intersection. In this method, since the spots are arranged two-dimensionally, it is possible to quench a larger area in a short time.

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。   In the laser quenching method, the spot pattern may be moved by a distance substantially equal to the spot interval in the movement direction of the spot pattern. In such a method, it is possible to perform large area and uniform quenching in a short time by scanning the two-dimensionally arranged spots without gaps.

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。   In the laser quenching method, the elliptical spots may be arranged such that the major axis or minor axis thereof is along the moving direction of the spot pattern. In this method, it is easy to adjust the spot pattern, the scanning direction, and the scanning distance so that the spots are in contact with each other, and it is possible to more easily perform quenching in a large area and in a uniform short time.

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。   The laser hardening apparatus of the present invention also includes a workpiece holder that holds a workpiece, and a laser irradiation device that includes a plurality of laser units that have a plurality of semiconductor lasers and collect laser beams emitted from the plurality of semiconductor lasers. An apparatus, and a moving mechanism that relatively moves the workpiece holder and the laser irradiation device. In the laser irradiation device, the plurality of laser units collect each laser beam, An elliptical spot is formed on the workpiece held by the workpiece holder, and all the elliptical spots are arranged so as to form a spot pattern. With this configuration, large area quenching can be performed in a short time, and complex patterns can be easily quenched.

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。   The present invention has the above-described configuration and has the following effects. That is, according to the laser quenching method and the laser quenching apparatus of the present invention, a large area can be quenched in a short time. In addition, complex patterns can be easily quenched.

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。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(First embodiment)
[Device configuration]
FIG. 1 is a conceptual diagram showing an example of the configuration of the laser hardening apparatus 100 according to the first embodiment of the present invention. Hereinafter, the laser hardening apparatus 100 of this embodiment is demonstrated, referring FIG.

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。   As shown in FIG. 1, a laser hardening apparatus 100 according to the present embodiment includes a laser irradiation apparatus 102 including a plurality of laser units 101, a DC power supply 103, a control apparatus 104, a driving apparatus 105, and a work holding base 106. (Work holder). The laser unit 101 includes a semiconductor laser bar 107, a microlens array 108, and a condenser lens 109.

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。   A microlens array 108 having a plurality of microlenses (convex lenses) arranged so as to cover each of the plurality of laser emitting portions of the semiconductor laser bar 107 is disposed, and one condensing lens 109 is disposed in front of the microlens array 108. . The microlens array 108 and the condensing lens 109 constitute a condensing system that condenses a plurality of laser beams emitted from a plurality of laser emitting portions of the semiconductor laser bar 107. Reference numeral 121 denotes an optical axis of each condenser lens 109. All the laser units 101 are connected to the DC power source 103 independently of each other and supplied with DC power. In the present embodiment, the same amount of current flows through all the laser units 101. The supply current to each laser unit 101 may be independently controllable. The DC power source 103 is connected to the control device 104, and ON / OFF and output are controlled. The control device 104 is also connected to a drive device 105, and controls the drive device 105 to drive the work holding base 106 freely in the horizontal direction. The drive device 105 (scanning device) is configured by the drive device 105 and the work holding table 106. In use, the workpiece 111 is held on the workpiece holding base 106.

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。   The work holding base 106 is configured by, for example, a well-known XY table, and the driving device 105 is configured by, for example, a driving device of this XY table. The control device 104 is constituted by, for example, a microcomputer or a personal computer.

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。   FIG. 2 is a perspective view of the laser irradiation apparatus 102 of FIG. As shown in FIG. 2, the laser irradiation apparatus 102 includes a plurality of laser units 101 and a holding member 112. The holding member 112 has a plate shape that is curved so as to form a part of a spherical surface. Although nine laser units 101 are provided in total, the laser unit 101 in the back is hidden from view in the figure. The laser unit 101 has a 3 × 3 lattice shape on the inner surface of the holding member 112 so that the optical axis of each condenser lens 109 faces the center of the spherical surface of the holding member 112 when viewed from the thickness direction of the holding member 112. Arranged. Here, in the present invention, “arranged in a grid pattern” means that a group of straight lines parallel to each other in a plane and another group of straight lines parallel to each other are positioned on an intersection point group formed orthogonally. Say to be placed in. The holding member 112 is made of, for example, copper. The laser unit 101 is fixed to the holding member 112 by fixing means such as screws. Typically, the holding member 112 is configured to have a large number of punching holes, and the laser unit 101 is fixed to the punching holes using screws or the like. The radius of the spherical surface is designed so that the focal point of the condenser lens 109 is approximately at the center of the spherical surface. That is, the radius of the spherical surface is approximately equal to the sum of the unit length and the focal length of the condenser lens 109. In use, the laser beam emitted from each laser unit 101 is concentrated in a narrow area on the workpiece 111 placed at the center of the spherical surface.

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。   FIG. 3 is an XZ sectional view showing the internal structure of the laser unit 101 in the first embodiment of the present invention. FIG. 4 is an XY sectional view showing the internal structure of the laser unit 101 according to the first embodiment of the present invention. Here, in the following description, the X axis is a direction along the optical axis 121 of the condenser lens 109 (longitudinal direction of the semiconductor laser bar 107). The Y-axis direction is the width direction of the semiconductor laser bar 107. The Z-axis direction is the thickness direction of the semiconductor laser bar 107. Hereinafter, the structure of the laser unit 101 will be described with reference to FIGS. 3 and 4.

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。   As shown in FIGS. 3 and 4, the laser unit 101 includes a cylindrical case 113, a semiconductor laser bar 107, a microlens array 108, and a condenser lens 109. The case 113 has a condensing lens 109 at one end thereof. The semiconductor laser bar 107 is held inside the case 113 via a holding means (such as an attachment member) not shown. For example, a glass lens having a focal length of 50 mm is used as the condenser lens 109.

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。   Laser beams emitted from a plurality of later-described emission portions of the semiconductor laser bar 107 are about 90 degrees in the Z-axis direction (about 45 degrees each in the plus direction and the minus direction) and about 10 degrees in the Y-axis direction (plus direction and It spreads about 5 degrees each in the minus direction). Each laser beam is formed into a substantially parallel beam (a beam composed of light beams parallel to each other) by the microlens array 108. This parallel beam passes through the condensing lens 109 and is substantially condensed at a focal point 117 approximately 50 mm forward from the condensing lens 109 in the X-axis direction.

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。   FIG. 5 is a perspective view showing an example of the structure of the semiconductor laser bar 107. Here, the semiconductor laser bar 107 includes 20 semiconductor laser chips 114 having an output of 2 W, a wavelength of 808 nm, and a length of 100 μm arranged every 200 μm to a total of 40 W, and a copper plate 115 having a width of 10 mm, a length of 50 mm, and a thickness of 0.5 mm. It has a structure sandwiched between. Each semiconductor laser chip 114 is arranged such that its resonator length direction coincides with the X direction, its lateral direction coincides with the Y direction, and its active layer thickness direction coincides with the Z direction. The emission end face of the laser beam of each semiconductor laser chip constitutes each emission part of the semiconductor laser bar 107 described above. The semiconductor laser chip 114 is held at one end of the copper plate 115. The two copper plates 115 are insulated, and by applying a DC voltage between them, a current flows through the semiconductor laser chip 114 and a laser beam is emitted. The copper plate 115 is electrically insulated from the holding member 112 and is connected to be able to exchange heat. The copper plate 115 also serves as a cooling mechanism. The heat removed by the copper plate 115 is dissipated into the holding member 112 and the air, and the semiconductor laser chip 114 can be prevented from being overheated.

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。 The microlens array 108 is bonded to the end surface where the semiconductor laser chips 114 are arranged in the semiconductor laser bar 107 with an adhesive. For the microlens array 108, a plastic lens in which 20 microlenses are arranged so as to correspond to each of the semiconductor laser chips 114 is used. Each microlens is formed so that the optical axis thereof coincides with the optical axis of the corresponding semiconductor laser chip 114 (the central axis of the emitted laser beam).
[Laser beam shape]
FIG. 6 is a diagram showing a spot (laser beam cross section) on the YZ plane passing through the vicinity of the focal point of a laser beam emitted from one laser unit 101. FIG. 7 is a diagram showing the distribution of the intensity (A) of the laser beam on the Y axis in FIG. FIG. 8 is a diagram showing the distribution of the intensity (A) of the laser beam on the Z axis in FIG. Hereinafter, the characteristics of the laser beam in the present embodiment will be described with reference to FIGS.

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。   As shown in FIG. 6, the laser beam in this embodiment has a substantially elliptical cross-sectional shape. The major axis of the ellipse extends in the Y direction and the minor axis extends in the Z direction. Hereinafter, this elliptical spot is referred to as an elliptical spot 116. One elliptical spot 116 is formed by overlapping laser beams emitted from 20 semiconductor laser chips 114. The direction in which the semiconductor laser chips 114 are arranged (Y-axis direction) coincides with the major axis direction of the ellipse.

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。   As shown in FIG. 7, when the intensity distribution of the laser beam on the Y-axis is viewed, the upper part has a flat plate-like distribution. The plateau-like distribution is a characteristic that is generated as a result of arranging laser beams emitted from a plurality of semiconductor laser chips 114 having substantially the same intensity. By using a flat intensity distribution, it is possible to efficiently quench a large area. As shown in FIG. 8, the intensity distribution of the laser beam is almost Gaussian on the Z axis. Even if only the laser beam from one semiconductor laser chip 114 is taken out on the Y axis, the intensity distribution of the laser beam becomes almost Gaussian.

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。   FIG. 9 is a diagram showing spots (laser beam cross-sections) on the YZ plane passing through the vicinity of the focal point of the laser beams emitted from the three laser units 101. FIG. 10 is a diagram showing the distribution of the intensity (A) of the laser beam on the Y axis in FIG. FIG. 11 is a diagram showing the distribution of the intensity (A) of the laser beam on the Z axis in FIG. In FIG. 10, the solid line indicates the sum of the laser beams from the three laser units 101, and the dotted line indicates the original intensity distribution of the laser beams from the respective laser units 101. 9 to 11 show a case where three laser units 101 are arranged substantially in parallel as a typical example. Therefore, each elliptical spot 116 has substantially the same size and shape. Hereinafter, characteristics when the elliptical spots are arranged so as to contact each other will be described with reference to FIGS. 9 to 11.

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。 As shown in FIG. 9, the laser beams emitted from the three laser units 101 are aligned with each other on the Y axis. Each elliptical spot 116 corresponds to the elliptical spot 116 in FIG. As shown in FIG. 10, the three elliptical spots 116 overlap each other at the contact portion, and as a result, a plate-like intensity distribution having a width three times as large is generated. By using a wide intensity distribution, it is possible to efficiently quench a larger area. As shown in FIG. 11, the intensity distribution of each laser beam is almost Gaussian on the Z axis.
[Hardening method]
Hereinafter, a laser quenching method using the laser quenching apparatus 100 of the present embodiment will be described. In the laser hardening method of the present embodiment, first, the workpiece 111 is placed on the workpiece holder 106. The position of the work holding base 106 is adjusted so that the hardened surface of the work 111 is substantially located at the focal point of the condenser lens 109 (the center of the holding member 112).

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。   Next, the control device 104 adjusts the output of the DC power supply 103 and irradiates a weak laser beam from the laser unit 101. The laser beam from each laser unit 101 is concentrated in a narrow area on the quenching surface. The work driving device 110 is driven using the control device 104, the position (including the angle) of the laser unit 101 is adjusted, and the size of each elliptical spot 116 is adjusted to about 1 mm × 200 μm. At the same time, the laser units 101 are arranged so that the elliptical spots 116 are arranged in a desired pattern. In the following description, it is assumed that the hardened surface of the workpiece 111 is flat. The optical axis 121 of the laser unit 101 does not necessarily have to be perpendicular to the upper surface of the workpiece holder 106 (or the hardened surface of the workpiece 111), and may be slightly inclined. In particular, when there is a problem that the reflected light from the quenching surface returns to the laser device, it is preferable to tilt the optical axis 121 about 10 to 15 degrees from the axis orthogonal to the quenching surface. However, in the following description, for the sake of convenience, the optical axis 121 is assumed to be substantially perpendicular to the quenching surface, and the workpiece holding base 106 is assumed to be driven approximately on the ZY plane. Hereinafter, the short-axis direction of the elliptical spot 116 is defined as the Z-axis direction (vertical), and the long-axis direction is defined as the Y-axis direction (horizontal).

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。   FIG. 12 is a schematic diagram illustrating an example of a method for configuring the spot pattern 131 and a scanning method according to the first embodiment of the present invention. As shown in FIG. 12, the spot pattern 131 is configured such that three elliptical spots 116 are in contact with each other in the major axis direction to form one horizontal row, and a total of three rows are formed. . The positions of the workpiece 111 and the laser unit 101 are adjusted so that such a spot pattern 131 is formed on the workpiece 111. In this embodiment, as shown in FIGS. 9 to 10, the three elliptical spots 116 are in contact with each other in order, and the intensity of the laser beam is adjusted to be constant in the Y-axis direction. The elliptical spots 116 in each row are parallel to each other, and the pitch P between the first row, the second row, the second row, and the third row and the interval D between the elliptical spots 116 are adjusted to be equal.

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。 Next, the control device 104 increases the output of the laser unit 101 to set the quenching mode. At the same time, the workpiece driving device 110 is driven to scan the elliptical spot 116 on the workpiece 111 in the minor axis direction (Z-axis direction). Although it depends on the laser output and the material of the workpiece 111, quenching can be performed by scanning at about 10 mm / sec. Scanning is performed in the minor axis direction until one elliptical spot 116 (solid line) is in contact with a portion irradiated by the elliptical spot 116 adjacent to the elliptical spot 116 (until it overlaps with the broken line) as shown in FIG. That is, the spot pattern 131 is scanned by a distance substantially equal to the interval D of the elliptical spots 116 in the scanning direction. As a result, the portion scanned by the nine elliptical spots 116 is uniformly quenched (the scanning distance, the scanning speed, the arrangement of the elliptical spots, etc. are adjusted so as to be uniformly quenched).
[effect]
According to the above method, since the quenching surface is simultaneously scanned with nine lasers, the quenching can be performed nine times faster than when one laser is used. If the number of laser units 101 is increased and a large number of elliptical spots 116 are arranged in a line, a wider area can be quenched in the same time. Even if the number of elliptical spots 116 is increased, such as 5 rows, 10 rows, etc., instead of 3 rows, quenching of a large area can be performed very easily and at high speed. That is, according to this embodiment, quenching of a large area can be performed in a short time. Such an effect is made possible for the first time because the semiconductor laser is extremely small and inexpensive as compared with the conventional laser.

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。   Further, if the laser is turned off once after scanning, the workpiece 111 is moved to a new quenching start location, and quenching is performed again, a wider area can be quenched for the same member. That is, the quenching surface is divided and the quenching is performed for each category. Since each section can be quenched at high speed by a plurality of laser units 101, as a result, large area quenching can be performed at high speed. This scanning can be automatically performed by programming the scanning method in the control device 104 in advance or by teaching the control device 104.

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。  In the present embodiment, the position of the laser unit is adjusted manually. For the same type of work (product), once adjustment is performed, it is not necessary to adjust again. When mass-producing products of the same standard (such as lawn mower blades), first, the number and position (including angles) of the laser unit 101, work holding base, according to the size of the member to be quenched and the quenching pattern The height and inclination of 106 are adjusted. Once the adjustment is completed, it is possible to quench the plurality of members continuously with little adjustment thereafter. Therefore, the laser quenching apparatus and the laser quenching method of the present embodiment are extremely effective for quenching mass-produced products.

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。 Furthermore, since the above-described apparatus and method have a very simple configuration in which the optical system (condensing system) is composed of one microlens array 108 and one condensing lens 109, the loss of the laser beam is small. If there is a lot of loss, the optical system absorbs the energy of the laser and overheats, making it easy to break. By simplifying the optical system, losses are reduced and the life of the device is increased.
[Modification 1]
In this modification, in the spot pattern 131, the elliptical spots 116 are arranged so as to be in contact with each other in the minor axis direction. FIG. 13 is a schematic diagram showing a first modification of the method for configuring the spot pattern 131 and the scanning method. As shown in FIG. 13, in the first modification, the three elliptical spots 116 are in contact with the minor axis direction to form one vertical row, and the position of the workpiece 111 or the like is formed so that a total of three rows are formed. The angle of the laser unit 101 is adjusted. In Modification 1, the three elliptical spots 116 are in contact with each other in order, and the intensity of the laser beam is adjusted to be constant in the Z-axis direction. The elliptical spots 116 in the respective rows are parallel to each other, and the pitch P ′ between the first row, the second row, the second row, and the third row, and the interval D ′ between the elliptical spots 116 are adjusted to be equal to each other. .

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。   The scanning is performed in the major axis direction until one elliptical spot 116 (solid line) is in contact with a portion irradiated by the elliptical spot 116 adjacent to the elliptical spot 116 (until it overlaps with the broken line) as shown in FIG. That is, the spot pattern 131 is scanned by a distance substantially equal to the interval D ′ of the elliptical spots 116 in the scanning direction. As a result, the portion scanned by the nine elliptical spots 116 is uniformly quenched.

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。 In the first modification, the beam width in the scanning direction is narrower than that in FIG. 12, but the beam is longer in the scanning direction by that amount. For this reason, at the same scanning speed, the same part is irradiated with laser for a longer time. If the irradiation time is long, the temperature of the quenching surface can be increased, which is particularly effective for quenching in a manner of melting the quenching surface. Alternatively, even if the scanning speed is higher than that in the case of FIG. 12, the same degree of quenching can be performed, so that even faster quenching is possible.
[Modification 2]
In this modification, the elliptical spots 116 are arranged at a predetermined interval, and striped quenching is performed. FIG. 14 is a schematic diagram showing a second modification of the method for configuring the spot pattern 131 and the scanning method. As shown in FIG. 14, in the second modification, the position of the workpiece 111, the angle of the laser unit 101, and the like are adjusted so that the nine elliptical spots 116 do not contact each other. The elliptical spots 116 in the horizontal rows are parallel to each other, and the pitch P between the first row, the second row, the second row and the third row, and the interval D between the elliptical spots 116 are adjusted to be equal to each other. .

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。   The scanning is performed in the long axis direction until one elliptical spot 116 (solid line) is in contact with a portion irradiated by the elliptical spot 116 adjacent to the elliptical spot 116 (until it overlaps with the broken line) as shown in FIG. That is, the spot pattern 131 is scanned by a distance substantially equal to the interval D of the elliptical spots 116 in the scanning direction. As a result, the portion scanned by the nine elliptical spots 116 is uniformly quenched.

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。 In the modified example 2, the portion to be quenched is divided into three rectangular portions (bands), and a portion that is quenched and a portion that is not quenched are alternately formed along an axis orthogonal to the scanning axis. The
[Modification 3]
In this modification, the number of laser units 101 is three, and the elliptical spots 116 are arranged in a straight line instead of a lattice shape to perform band-shaped quenching. FIG. 15 is a schematic diagram showing a third modification of the method for configuring the spot pattern 131 and the scanning method. In Modification 3, as shown in FIGS. 9 to 10, the three elliptical spots 116 are in contact with each other in order, and the intensity of the laser beam is adjusted to be constant in the Y-axis direction.

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。 The scanning is performed at a constant speed in the Z-axis direction as shown in FIG. In Modification 3, uniform quenching can be performed over a wide width. If the number of the laser units 101 is increased to five, ten, etc. instead of three and the rows of the elliptical spots 116 are lengthened, quenching of a very large area can be performed at one time.
[Modification 4]
In this modification, quenching is performed by arranging the elliptical spots 116 in a more complicated pattern instead of a lattice shape. FIG. 16 is a schematic diagram showing a fourth modification of the method for configuring the spot pattern 131. In the fourth modification, the number of laser units is six, and the elliptical spots 116 are arranged on the wave. Note that the arrangement pattern of the elliptical spots 116 can be arbitrarily set, and is not limited to the wavy pattern as shown in FIG. 16, and quenching can be performed in any pattern. In the fourth modification, scanning is not performed and quenching is performed while the position of the workpiece 111 is fixed. By simultaneously irradiating a plurality of lasers, quenching is completed in a shorter time (for example, around 1 second). Therefore, it is possible to quench any complicated pattern in a very short time. Such a method is extremely effective for processing a product having a complicated shape such as quenching into a wavy blade.
[Other variations]
The scanning device may be configured to be able to drive a workpiece in the vertical direction in addition to the horizontal direction. The workpiece may be fixed and the laser irradiation apparatus may be driven. That is, the scanning of the workpiece by the laser beam may be performed by driving either (or both) the laser scanning device and the workpiece. When the object of hardening is specified, the structure which can scan a scanning apparatus only to a single direction may be sufficient.

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。   Any number of laser units may be used. By using a larger number of laser units, a larger area can be quenched in a shorter time. Any condensing system may be used, and the number of condensing lenses may be plural. However, in order to extend the life of the apparatus, it is desirable that the condensing system has a simple structure as much as possible, such as a single microlens array and a condensing lens.

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。   The output of each laser unit may be individually controlled. More precise quenching can be performed by individual control. You may comprise the spot pattern by several elliptical spots by splitting the beam from one semiconductor laser.

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。   The elliptical spot may be oblique with respect to the scanning direction. Ellipse spots 116 are arranged so as to be positioned at the intersections of a plurality of straight lines parallel to the driving direction (straight line group a) and a plurality of straight lines parallel to the moving direction (straight line group b). Also good. The straight line group a and the straight line group b are not necessarily orthogonal to each other. Neither the straight line group a nor the straight line group b may be parallel to the driving direction. When the work hardening surface is inclined with respect to the optical axis of the condensing lens, the spot on the laser beam irradiation surface is not necessarily a regular ellipse and may be slightly deformed. Includes such cases. That is, the “elliptical spot” in the above description may be substantially elliptical.

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。   In the elliptical spot, the portion on the opposite side to the scanning direction immediately goes out of the irradiation range, while the portion on the scanning direction side continues to be irradiated, which may cause uneven burning. In this case, a discard plate is placed on the quenching surface, and a beam is first irradiated on the discard plate to start scanning, and scanning is performed to the outside of the discard plate. According to this method, the irradiation time of the quenched surface becomes uniform, and uniform quenching without unevenness becomes possible.

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。   The laser quenching method and laser quenching apparatus according to the present invention are useful as a laser quenching method and a laser quenching apparatus that can quench a large area in a short time and can easily quench a complex pattern.

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。It is a schematic diagram which shows an example of a structure of the laser hardening apparatus 100 of 1st Embodiment of this invention. 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。It is a perspective view of the laser irradiation apparatus 102 in 1st Embodiment of this invention. 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。It is sectional drawing of the XZ direction which shows the internal structure of the laser unit 101 in 1st Embodiment of this invention. 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。It is sectional drawing of the XY direction which shows the internal structure of the laser unit 101 in 1st Embodiment of this invention. 半導体レーザバー１０７の構造の一例を示す斜視図である。2 is a perspective view showing an example of a structure of a semiconductor laser bar 107. FIG. 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。It is a figure which shows the spot (cross section of a laser beam) on the YZ plane which passes along the focus vicinity of the laser beam radiate | emitted from one laser unit. 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。It is a figure which shows distribution of the intensity | strength (A) of the laser beam on the Y-axis of FIG. 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。It is a figure which shows distribution of the intensity | strength (A) of the laser beam on the Z-axis of FIG. 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。It is a figure which shows the spot (cross section of a laser beam) on the YZ plane which passes along the focus vicinity of the laser beam radiate | emitted from the three laser units 101. FIG. 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。It is a figure which shows distribution of the intensity | strength (A) of the laser beam on the Y-axis of FIG. 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。It is a figure which shows distribution of the intensity | strength (A) of the laser beam on the Z-axis of FIG. 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。It is a schematic diagram which shows an example of the structure method and scanning method of the spot pattern 131 in Embodiment 1 of this invention. 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。FIG. 6 is a schematic diagram showing a first modification of the method for configuring the spot pattern 131 and the scanning method. 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。It is a schematic diagram which shows the modification 2 of the structure method of a spot pattern 131, and a scanning method. 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。It is a schematic diagram which shows the modification 3 of the structure method of a spot pattern 131, and a scanning method. 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。It is a schematic diagram which shows the modification 4 of the structural method of the spot pattern 131. FIG.

符号の説明Explanation of symbols

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
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 Laser hardening apparatus 101 Laser unit 102 Laser irradiation apparatus 103 DC power supply 104 Control apparatus 105 Drive apparatus 106 Work holding stand 107 Semiconductor laser bar 108 Micro lens array 109 Condensing lens 110 Work drive apparatus 111 Work 112 Holding member 113 Case 114 Semiconductor laser chip 115 Copper plate 116 Ellipse spot 117 Focus 121 Optical axis 131 Spot pattern

Claims (10)

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。   The workpiece is irradiated with a laser beam generated by one or more semiconductor lasers of a laser irradiation apparatus so that a spot pattern in which a plurality of elliptical spots are arranged is formed on the workpiece. Laser quenching method for quenching. 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。   The laser hardening method according to claim 1, wherein each of the spots is formed by condensing laser beams emitted from a plurality of the semiconductor lasers. 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。   The laser hardening method according to claim 2, wherein the plurality of semiconductor lasers constitute a semiconductor laser bar. 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。   2. The laser hardening method according to claim 1, wherein the laser beam irradiation is performed such that the spot pattern relatively moves on the workpiece. 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。   The laser hardening method according to claim 4, wherein in the spot pattern, the plurality of spots are arranged so as to be arranged in a certain direction intersecting a moving direction of the spot pattern. 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。   The laser quenching method according to claim 5, wherein the spot pattern moves on the workpiece continuously in time. 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。   In the spot pattern, the plurality of spots are arranged so as to be positioned on intersections of one or more straight lines parallel to the moving direction of the spot pattern and a plurality of straight lines parallel to a certain direction intersecting the moving direction. The laser hardening method according to claim 4. 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。   The laser hardening method according to claim 7, wherein the spot pattern is moved by a distance substantially equal to an interval between the spots in a movement direction of the spot pattern. 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。   9. The laser quenching method according to claim 5, wherein the elliptical spots are arranged such that a major axis or a minor axis thereof is along a moving direction of the spot pattern. 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。 A workpiece holder for holding the workpiece;
A laser irradiation apparatus comprising a plurality of laser units each having a plurality of semiconductor lasers and condensing laser beams emitted from the plurality of semiconductor lasers;
A moving mechanism for relatively moving the workpiece holder and the laser irradiation device,
In the laser irradiation apparatus, each of the plurality of laser units condenses each of the laser beams to form an elliptical spot on the work held by the work holder, and all the elliptical spots are formed. A laser quenching apparatus arranged so that a spot pattern can be formed by arranging them.

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