JP4554040B2 - レーザによる歯車の熱処理方法および装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、表面の熱処理方法、特に歯車等の谷形状に形成された部分を有する谷形状部分の表面を、レーザを用いて熱処理する方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
歯車等の谷形状の部分、すなわち歯溝の強度を増すためには、歯溝表面に熱処理を施す事が不可欠であるが、工業的には電磁誘導加熱、浸炭、窒化等の方法によりこの熱処理を行っているのが現状である。
【０００３】
ところが、上記電磁誘導加熱等の方法による場合は、熱処理の不要な歯先部分が過度に熱処理され、強度上好ましくない。また、上記電磁誘導加熱等の方法の場合、エネルギーロスも大きく、これに伴い熱処理歪みが大となる問題があった。
【０００４】
ところで、近年、レーザを加熱手段とする熱処理方法が種々なされているが、図１０の（Ｂ）に示すように、歯車２の歯溝の表面熱処理をするために、歯溝に対して直上にレーザビーム１を入射する方法がある。つまり、レーザビーム１の光軸が歯車２の歯溝の中心線付近となり、上記光軸を中心として、歯溝の両側の壁面が対称となるように、上記レーザビーム１が照射される方法がある。
【０００５】
この図１０に示す例の場合、硬化層９（図１０の（Ｂ）の斜線部）の分布は、歯溝の側壁面では薄く、底面表面では厚くなり、不均一な熱処理しか施せない。
【０００６】
このため、歯溝の底面に適切な厚みを有する硬化層９を形成することとした場合は、側壁面には十分な厚さの硬化層９が形成されない事になり、目的とする機械的強度を達成できない部分が発生する。
【０００７】
これは、図１０の（Ａ）に示すように、レーザ１のパワー密度分布が、レーザ１の光軸の中心部分にピークをもつガウス分布であること、また、レーザ１の入射角が、歯底に対する角度θ２はほぼ９０度であるのに対し、側壁面に対する角度θ１は、９０度以下の角度となり、レーザ１の側壁面に対する吸収率が著しく低下することから、歯溝の側壁面と底面とで、吸収されるエネルギーの差が、互いに大きく異なることに起因するものである。
【０００８】
これを解決する方法として、例えば、特開昭６１−２８４５１９号公報に記載された技術がある。この公報記載の技術は、図１１に示すように、歯溝の側壁面及び歯底面部にレーザの吸収剤３を予め塗布することにより、レーザの吸収剤３の塗布された部分が、加熱し易い歯先部分より多くのエネルギーを吸収するため、均等に熱処理することができるものである。
【０００９】
また、特開昭６０−２１５７１５号公報に記載された技術によれば、レーザ熱処理方法において、図１２に示すように、レーザビーム発生装置４０から発生されたレーザ１は、三角柱状のミラー５により２つのレーザに分岐される。
【００１０】
そして、分岐された各レーザ１は、全反射ミラー６により反射され、反射されたそれぞれのレーザ１は、それぞれ、凸レンズ７により集光されたあと、互いに対向する歯２の側壁面にレーザ１が照射されて、歯車２がレーザにより熱処理される方法である。
【００１１】
また、特開昭６０−９８２８号公報に記載された技術によれば、図１３に示すように、レーザ１を、面に孔が形成され回転される回転ホイール８に照射して、この回転ホイール８により反射されるか、この回転ホイール８を通過するかにより、通過経路と時間とを分岐し、レンズ７、鏡体６を介して、歯車２の側面部分を交互に入射角度を設けて照射して、熱処理する方法がある。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した特開昭６１−２８４５１９号公報に記載された技術のように、レーザ１の吸収剤３を塗布する方法は、吸収剤３の塗布作業工程が増加するため、熱処理全体の作業時間が増加し、量産上、好ましいものではない。
【００１３】
また、特開昭６０−２１５７１５号公報に記載されたの技術のように、レーザ１を分岐し、分岐したレーザ１を反射ミラー６により折り返し、それぞれを、凸レンズ７により集光させたあと、対向する歯の側壁にレーザ１を照射する熱処理の場合、１つの歯形形状を熱処理する場合はよいが、歯車２の歯の間隔やサイズが異なったものを熱処理する場合には、レーザ１の照射位置を変更することが非常に困難である。
【００１４】
つまり、特開昭６０−２１５７１５号公報記載の技術にあっては、歯車２の歯の間隔やサイズが異なったものを熱処理する場合には、２つの反射ミラー６の互いの位置関係、２つの凸レンズ７の互いの位置関係、ミラー５と反射ミラー６と凸レンズ７と歯車２との相対位置関係を変更調整しなければならず、その調整が非常に困難であるという問題がある。
【００１５】
また、特開昭６０−９８２８号公報に記載された技術のように、レーザ１を回転ホイール８により、時間分岐し歯の側壁に対し交互に、入射する熱処理方法の場合、図１４に示すように、一方向からのレーザと他方向からのレーザとの照射が重なる部分Ａは、一方向からのレーザ１による熱処理後に、他方向からのレーザ１により、再入熱されるため、焼き鈍しの状態になり所望の硬化層９が得られないという問題が発生する。
【００１６】
例えば、図１５に示すように、歯底が平面状となった形状の歯形の場合は、歯底部分であるＢ部の軟化は歯の強度上、許容される。
【００１７】
これに対して、図１４に示すような、歯底が平面状ではなく、Ｕ字形状のような歯形の場合には、歯底Ａ部の軟化は、応力集中部であるため、歯車２の歯溝の強度を著しく低下させるという問題が発生する。
【００１８】
本発明の目的は、複雑な調整を伴うこと無く、種々の形状及び寸法の歯車の歯溝表面の硬化層を均一化することが可能な、レーザによる歯車の熱処理方法及び装置を実現することである。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明は次のように構成される。
（１）レーザによる歯車の熱処理方法において、レーザビーム発生手段から発生された２つのレーザビームを光学系部の２つのレーザ整形部に導入すること、上記２つのレーザ整形部を、それぞれ、レンズの中心を結んだレンズ中心軸が同軸上に位置する複数のレンズで構成し、かつ２つのレーザ整形部間でそれぞれのレンズ中心軸が平行となるように配置すること、楕円形状の２つのレーザビームスポットの長手方向を歯車の円周方向と一致させ、上記楕円形状の２つのビームスポットが上記歯車の歯溝の歯底面を間とする側壁面に位置するように、上記２つのレーザビームを上記２つのレーザ整形部において整形して歯溝に照射し、かつ歯車の軸方向に上記楕円形状の２つのビームスポットを相対的に移動し、歯車に入熱を行うこと、上記光学系部の２つのレーザ整形部のそれぞれに上記複数のレンズの１つとしてウエッジ基板を配置し、このウエッジ基板を回転させることにより、上記楕円形状の２つのビームスポットの互いの照射位置間隔を可変とし、熱処理の対象である歯車のピッチに対応して、楕円形状の２つのビームスポットの互いの照射位置間隔を調整する。
【００２０】
（２）また、レーザによる歯車の熱処理方法において、レーザビーム発生手段から発生された２つのレーザビームを２つの光学系部の２つのレーザ整形部に導入すること、上記２つのレーザ整形部を、それぞれ、レンズの中心を結んだレンズ中心軸が同軸上に位置する複数のレンズで構成し、かつ２つのレーザ整形部間でそれぞれのレンズ中心軸が平行となるように配置すること、楕円形状の２つのレーザビームスポットの長手方向を歯車の円周方向と一致させ、上記楕円形状の２つのビームスポットが上記歯車の歯溝の歯底面を間とする側壁面に位置するように、上記２つのレーザビームを上記２つのレーザ整形部において整形して歯溝に照射し、かつ歯車の軸方向に上記楕円形状の２つのビームスポットを相対的に移動し、歯車に入熱を行うこと、上記２つの光学系部の間隔を調整する手段を設け、この手段を駆動して上記２つの光学系部の間隔を調整するすることにより、上記レーザ整形部のレンズ中心軸の間隔を調整して上記楕円形状の２つのビームスポットの互いの照射位置間隔を可変とし、熱処理の対象である歯車のピッチに対応して、楕円形状の２つのビームスポットの互いの照射位置間隔を調整する。
【００２１】
（３）レーザによる歯車の熱処理装置において、２つのレーザビームを発生するレーザビーム発生手段と、上記レーザビーム発生手段から発生された２つのレーザビームを導入し、この２つのレーザビームを楕円形状の２つのレーザビームスポットを形成するよう整形して照射する光学系部と、歯車をその中心軸に対して回転させる回転テーブルと、上記光学系部から出射されたレーザビームの光軸を、歯車の軸方向に相対的に移動させる移動手段と、上記楕円形状の２つのビームスポットの互いの間隔を調整する調整手段とを備え、上記光学系部は、上記楕円形状の２つのレーザビームスポットの長手方向を歯車の円周方向と一致させ、上記楕円形状の２つのビームスポットが上記歯車の歯溝の歯底面を間とする側壁面に位置するように、上記２つのレーザビームを整形して歯溝に照射する２つのレーザ整形部を有し、上記２つのレーザ整形部は、それぞれ、レンズの中心を結んだレンズ中心軸が同軸上に位置する複数のレンズを含み、かつ２つのレーザ整形部間でそれぞれのレンズ中心軸が平行となるように配置され、上記調整手段は、上記光学系部の２つのレーザ整形部のそれぞれに上記複数のレンズの１つとして配置されたウエッジ基板を有し、このウエッジ基板を回転させることにより、上記楕円形状の２つのビームスポットの互いの照射位置間隔を可変とし、熱処理の対象である歯車のピッチに対応して、楕円形状の２つのビームスポットの互いの照射位置間隔を調整する。
【００２２】
（４）また、レーザによる歯車の熱処理装置において、２つのレーザビームを発生するレーザビーム発生手段と、上記レーザビーム発生手段から発生された２つのレーザビームを導入し、この２つのレーザビームを楕円形状の２つのレーザビームスポットを形成するよう整形して照射する２つの光学系部と、歯車をその中心軸に対して回転させる回転テーブルと、上記２つの光学系部から出射されたレーザビームの光軸を、歯車の軸方向に相対的に移動させる移動手段と、上記楕円形状の２つのビームスポットの互いの間隔を調整する調整手段とを備え、上記２つの光学系部は、上記楕円形状の２つのレーザビームスポットの長手方向を歯車の円周方向と一致させ、上記楕円形状の２つのビームスポットが上記歯車の歯溝の歯底面を間とする側壁面に位置するように、上記２つのレーザビームを整形して歯溝に照射する２つのレーザ整形部を有し、上記２つのレーザ整形部は、それぞれ、レンズの中心を結んだレンズ中心軸が同軸上に位置する複数のレンズを含み、かつ２つのレーザ整形部間でそれぞれのレンズ中心軸が平行となるように配置され、上記調整手段は、上記２つの光学系部の間隔を調整する手段を有し、この手段を駆動して上記２つの光学系部の間隔を調整することにより、上記レーザ整形部のレンズ中心軸の間隔を調整して上記楕円形状の２つのビームスポットの互いの照射位置間隔を可変とし、熱処理の対象である歯車のピッチに対応して、楕円形状の２つのビームスポットの互いの照射位置間隔を調整する。
【００２３】
（５）また、好ましくは、上記（３）又は（４）において、上記２つのレーザビームを、楕円形状の２つのレーザビームスポットを形成するよう整形して照射する２つのレーザ整形部は、それぞれ、シリンドリカルレンズを有する。
（６）また、好ましくは、上記（５）において、上記２つのレーザ整形部は、それぞれ、上記シリンドリカルレンズとして１つのシリンドリカル凸レンズを有する。
【００２４】
楕円状の２つのレーザビームを、上記楕円状のレーザビームの長手方向を歯車の円周方向と一致させ、２つのレーザビームのそれぞれのパワー密度の頂点が歯底面を間とする側壁面に位置するように、歯車の歯溝の歯底面に対して垂直方向から、歯車に照射し、照射した２つのビームスポットを歯車の軸方向に移動させる。
【００２５】
これにより、レーザが９０度未満の入射角で入射され、エネルギーの吸収率が低い側壁面にパワー密度の頂点部分が照射され、レーザがほぼ９０度の角度で入射され、エネルギーの吸収率が高い歯底面にパワー密度が低い部分が照射されるため、歯車の歯溝全体に亘って、ほぼ均一化した入熱量となり、歯溝の硬化層もほぼ均一化される。
【００２６】
また、２つのレーザビームの光軸は、互いに平行に近い状態で歯車２に照射される構成となっているため、２つのレーザビームの互いの間隔を調整する手段は、簡単な構成で実現することができる。
【００２７】
したがって、複雑な調整を伴うこと無く、種々の形状及び寸法の歯車の歯溝表面の硬化層を均一化することが可能な、レーザによる歯車の熱処理方法及び装置を実現することができる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の実施形態であるレーザによる歯車の熱処理方法及び装置が適用されるレーザ熱処理装置の概略構成図である。
【００２９】
図１において、本発明が適用されるレーザ熱処理装置には、２つの電源１１及びレーザ発振器４からレーザ１を伝送するための２つの光ファイバ１３が配置されている。
【００３０】
また、レーザ熱処理装置は光学系部１４を備えており、この光学系部１４には、２つの光ファイバ１３の端部をフロントフォーカス位置とし配置された２つの凸レンズ１６（後述）が配置され、光ファイバ１３から出射されたレーザ１をコリメートする。
【００３１】
また、光学系部１４の凸レンズ１６の後段には、レーザ整形部が配置されており、レーザ１は、レーザ整形部の集光レンズにより、歯車２の歯の谷部を中心に図２に示すような分布の２つの楕円スポット１０を形成する。
【００３２】
レーザ熱処理装置は、駆動系１５を備え、この駆動系１５は上記光学系部１４に連結され、光学系部１４を歯車２の軸方向に、歯車２に対して相対的に移動させる。
さらに、レーザ熱処理装置には、歯車２をこの歯車２の中心を回転中心として回転させる回転テーブル（図示せず）が設置してあり、図１に示すように、レーザ光学系部１４の中心軸Ｃが、歯車２の歯溝のほぼ中心点を通過する配置となるように、回転位置決めする。
【００３３】
これにより、２つのレーザスポット１０は、図３に示すように、それぞれ、歯の側壁に照射される。
なお、コントローラ１２は、駆動系１５及び電源１１の動作を制御する。
【００３４】
上述した凸レンズ１６の後段のレーザ整形部の３つの構成例を図４に示す。なお、図４の（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）に示した各光学系は、片側部分の構成のみであるが、実際には２つの同一の光学系が並んだ構成となる。
【００３５】
図４の（Ａ）に示した例において、凸レンズ１６を通過したレーザ１は、シリンドリカル凸レンズ１７、シリンドリカル凹レンズ１８、集光レンズ７を介して歯車２に照射され、スポット１０となる。
【００３６】
この図４の（Ａ）に示した例の場合、シリンドリカル凹レンズ１８の焦点距離をｆ1とし、シリンドリカル凸レンズ１７の焦点距離をｆ2とすると、シリンドリカル凸レンズ１７とシリンドリカル凹レンズ１８との互いの距離Ｄ1は、Ｄ1＝ｆ1＋ｆ2の位置に配置される。
【００３７】
また、図４の（Ｂ）に示した例において、凸レンズ１６を通過したレーザ１は、シリンドリカル凸レンズ１７、シリンドリカル凸レンズ１７、集光レンズ７を介して歯車２に照射され、スポット１０となる。
【００３８】
この図４の（Ｂ）に示した例の場合、前段のシリンドリカル凸レンズ１７の焦点距離をｆ’1 とし、後段のシリンドリカル凸レンズ１７の焦点距離をｆ’2とすると、２つのシリンドリカル凸レンズ１７の互いの距離Ｄ2は、Ｄ2＝ｆ’1＋ｆ’2の位置に配置される。
【００３９】
また、図４の（Ｃ）に示した例において、凸レンズ１６を通過したレーザ１は、シリンドリカル凸レンズ１７、集光レンズ７を介して歯車２に照射され、スポット１０となる。
【００４０】
図４の（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）に示した例のうち、最も好ましいものとしては、シリンドリカル凸レンズ１７を１枚を配置する図４の（Ｃ）の例と考えられる。
これは、上述したシリンドリカルレンズを２枚配置する光学系の場合、装置構成上、距離Ｄ1もしくは距離Ｄ2のスペースを確保する必要があり、装置サイズをコンパクトにするためには、焦点距離ｆ1、ｆ2（またはｆ’1 、ｆ’2）を小さくする必要がある。この場合、２枚のシリンドリカルレンズの組み合わせの調整要素が多く、調整が非常に困難である。
しかし、シリンドリカルレンズを１枚のみ使用する構成であれば、楕円スポット１０を整形する方式の場合、長焦点のシリンドリカルレンズを使用するため、シリンドリカルレンズ配置の調整が非常に簡便となり、調整要素が少なくて済むためである。
【００４１】
ところで、上述した従来技術のように、歯車２の歯溝の表面熱処理をするために、図５に示すように、歯溝に対し直上にレーザ１を入射すると、硬化層９（図５の（Ｂ）の斜線部）の分布は側壁面では薄く、底面の表面では厚くなり、不均一な熱処理しか施せない。
これは、歯溝の底部に適厚な硬化層９を形成した場合は、側壁面に十分な厚さの硬化層９が形成されないからであり、入射されるレーザ１のパワー密度分布が、図５の（Ａ）に示すように、レーザ光軸の中心部分にピークをもつガウス分布であること、レーザ１の入射角が歯底に対しては鉛直であるのに対し、側壁面では９０度以下の角度となり、レーザ１の側壁面に対する吸収率が著しく低下することから、側壁面と底面とにおける吸収率分布が、図５の（Ｃ）に示すように、側壁面より底面が高くなるという分布となることに起因するものであった。
【００４２】
これに対して、本発明の実施形態であるレーザによる歯車の熱処理方法及び装置においては、光学系部１４から歯車２に出力されるレーザ１のパワー密度分布は、図６の（Ｃ）に示す歯溝のエネルギー吸収率分布に対し、図６の（Ａ）、（Ｂ）に示すように、歯の側壁部に高いパワー密度分布のレーザ１が照射され、歯底には低いパワー密度分布のレーザが照射されるため、歯側面の低い吸収率を補う形での入射となる。
これにより、図６の（Ｄ）に示すように、歯溝全体の入熱量をほぼ均一にすることが可能となり、この分布を上述した歯車２の軸方向の移動手段により移動させることにより、歯溝の表面に対し均一な熱処理を行うことが可能となる。
【００４３】
さらに、上記構成において、レーザ熱処理装置に対しウェッジ基板をレーザ整形部の前段もしくは集光レンズ７の前段に配置することにより、集光レンズ７に対しレーザ光の入射角を変化させることが可能である。
【００４４】
図７は、ウェッジ基板１９を集光レンズ７の前段に用いた場合の例であり、レーザ整形部は、シリンドリカル凸レンズ１７を１枚を使用した例である。
【００４５】
この図７に示すように、ウェッジ基板１９を配置することにより、楕円スポット１０の歯車２における位置は、集光レンズ７の中心軸Ｃａに対して変位した位置となる。
【００４６】
そして、ウエッジ基板１９を、その軸を中心として回転すると、集光レンズ７の中心軸Ｃａに対して変位した楕円スポット１０は、ウェッジ基板１９の回転に伴って、図８に示すように、回転移動する。
【００４７】
このことにより、左右のスポット１０の位置関係は、ウェッジ基板１９の角度と回転方向により決定することとなる。
【００４８】
また、左右のスポット１０は、ウエッジ基板１９を図８に示す回転方向に回転させた場合、つまり、右側のウェッジ基板１９を反時計方向に回転させ、左側のウェッジ基板１９を時計方向に回転させた場合、図８中の左側スポット１０は、１→２→３→・・・→７→８のように連続的に移動する。また、図８中の右側スポット１０は、１’→２’→３’→・・・→７’→８’のように連続的に移動する。
【００４９】
そして、図７中の右側のウエッジ基板１９の回転角を、左側のウエッジ基板１９の回転角と同一量だけ逆回転させれば、相対的にある程度任意に、左右のスポット１０の位置関係を変更することが可能である。
【００５０】
これにより、２つのスポット１０は、歯車２の円周方向に存在した状態で、互いの間隔を調整することが可能である。
【００５１】
したがって、熱処理する対象である歯車２の歯幅が変更になった場合は、ウエッジ基板１９の回転量を調整し、レーザの出力パワーを調整することにより対応可能である。
【００５２】
図９は、２つのスポット１０の互いの間隔を調整する他の例を示す図である。
図７に示した例は、ウェッジ基板１９を回転させることにより、２つのスポット１０の互いの間隔を調整する例であるが、図９に示す例は、２つ光学系部１４の互いの間隔を調整することにより、２つのスポット１０の互いの間隔を調整する例である。
【００５３】
図９の（Ａ）は、２つの光学系部１４の互いの間隔を調整して、２つのスポット１０の互いの間隔を調整する手段の上面を示し、図９の（Ｂ）は、上記調整手段の側面を示す。
【００５４】
図９において、モータ３０を駆動することにより、台形ギアが回転し、左右の２つのスライダー２２が互いに接近する方向又は離間する方向に移動する。このスライダー２２には、それぞれ、光学系部１４が取り付けられている。
【００５５】
したがって、モータ３０の駆動により、２つの光学系部１４の互いの間隔を調整して、２つのレーザスポット１０の互いの間隔を調整することができる。
【００５６】
以上のように、本発明の一実施形態によれば、光軸が互いに平行な楕円状の２つのレーザビーム１を、上記楕円状のレーザビーム１の長手方向を歯車２の円周方向と一致させ、２つのレーザビーム１のそれぞれのパワー密度の頂点が歯底面を間とする側壁面に位置するように、歯車２の歯溝の歯底面に対して垂直方向から、歯車２に照射し、照射した２つのビームスポット１０を歯車２の軸方向に移動させる。
【００５７】
これにより、レーザ１が９０度未満の入射角で入射され、エネルギーの吸収率が低い側壁面にパワー密度の頂点部分が照射され、レーザ１がほぼ９０度の角度で入射され、エネルギーの吸収率が高い歯底面にパワー密度が低い部分が照射されるため、歯車２の歯溝全体に亘って、ほぼ均一化した入熱量となり、歯溝の硬化層もほぼ均一化される。
【００５８】
また、２つのレーザビーム１の光軸は、互いに平行となった状態で歯車２に照射される構成となっているため、２つのレーザビーム１の互いの間隔を調整する手段は、簡単な構成で実現することができる。
【００５９】
したがって、複雑な調整を伴うこと無く、種々の形状及び寸法の歯車の歯溝表面の硬化層を均一化することが可能な、レーザによる歯車の熱処理方法及び装置を実現することができる。
【００６０】
なお、２つのレーザスポット１０の互いの間隔を調整する手段としては、図７及び図９に示した例の他に、図４に示した集光レンズ７又は凸レンズ１６を移動することにより、２つのレーザスポット１０の互いの間隔を調整することもできる。
【００６１】
【発明の効果】
本発明によれば、複雑な調整を伴うこと無く、簡単な制御や調整で、種々の形状及び寸法の歯車の歯溝表面の硬化層を均一化することが可能な、レーザによる歯車の熱処理方法及び装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態であるレーザによる歯車の熱処理方法及び装置が適用されるレーザ熱処理装置の概略構成図である。
【図２】本発明の一実施形態におけるレーザビームのパワー密度の説明図である。
【図３】本発明の一実施形態におけるレーザビームスポットの歯車への照射位置を説明する図である。
【図４】レーザ整形部の構成例を示す図である。
【図５】本発明と比較するための従来技術におけるレーザのパワー密度と歯溝の吸収率とを説明する図である。
【図６】本発明の一実施形態におけるレーザのパワー密度と、歯溝の吸収率と、歯溝への入熱量とを説明する図である。
【図７】本発明の一実施形態における２つのレーザスポットの間隔を調整する手段の一例を示す図である。
【図８】図７の例のレーザスポットの照射位置を変更する場合の説明図である。
【図９】本発明の一実施形態における２つのレーザスポットの間隔を調整する手段の他の例を示す図である。
【図１０】従来技術におけるレーザによる歯車の熱処理方法の一例を示す図である。
【図１１】従来技術におけるレーザによる歯車の熱処理方法の他の例を示す図である。
【図１２】従来技術におけるレーザによる歯車の熱処理方法のさらに他の例を示す図である。
【図１３】従来技術におけるレーザによる歯車の熱処理方法のさらに他の例を示す図である。
【図１４】従来技術における問題点の説明図である。
【図１５】従来技術における問題点の説明図である。
【符号の説明】
１ レーザ
２ 歯車
４ レーザ発振器
７ 集光レンズ
１０ 楕円レーザスポット
１１ 電源
１２ コントローラ
１３ 光ファイバ
１４ 光学系部
１５ 軸方向駆動系
１６ 凸レンズ
１７ シリンドリカル凸レンズ
１８ シリンドリカル凹レンズ
１９ ウエッジ基板
２０ モータ
２１ 台形ギア
２２ スライダ
【発明の属する技術分野】
本発明は、表面の熱処理方法、特に歯車等の谷形状に形成された部分を有する谷形状部分の表面を、レーザを用いて熱処理する方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
歯車等の谷形状の部分、すなわち歯溝の強度を増すためには、歯溝表面に熱処理を施す事が不可欠であるが、工業的には電磁誘導加熱、浸炭、窒化等の方法によりこの熱処理を行っているのが現状である。
【０００３】
ところが、上記電磁誘導加熱等の方法による場合は、熱処理の不要な歯先部分が過度に熱処理され、強度上好ましくない。また、上記電磁誘導加熱等の方法の場合、エネルギーロスも大きく、これに伴い熱処理歪みが大となる問題があった。
【０００４】
ところで、近年、レーザを加熱手段とする熱処理方法が種々なされているが、図１０の（Ｂ）に示すように、歯車２の歯溝の表面熱処理をするために、歯溝に対して直上にレーザビーム１を入射する方法がある。つまり、レーザビーム１の光軸が歯車２の歯溝の中心線付近となり、上記光軸を中心として、歯溝の両側の壁面が対称となるように、上記レーザビーム１が照射される方法がある。
【０００５】
この図１０に示す例の場合、硬化層９（図１０の（Ｂ）の斜線部）の分布は、歯溝の側壁面では薄く、底面表面では厚くなり、不均一な熱処理しか施せない。
【０００６】
このため、歯溝の底面に適切な厚みを有する硬化層９を形成することとした場合は、側壁面には十分な厚さの硬化層９が形成されない事になり、目的とする機械的強度を達成できない部分が発生する。
【０００７】
これは、図１０の（Ａ）に示すように、レーザ１のパワー密度分布が、レーザ１の光軸の中心部分にピークをもつガウス分布であること、また、レーザ１の入射角が、歯底に対する角度θ２はほぼ９０度であるのに対し、側壁面に対する角度θ１は、９０度以下の角度となり、レーザ１の側壁面に対する吸収率が著しく低下することから、歯溝の側壁面と底面とで、吸収されるエネルギーの差が、互いに大きく異なることに起因するものである。
【０００８】
これを解決する方法として、例えば、特開昭６１−２８４５１９号公報に記載された技術がある。この公報記載の技術は、図１１に示すように、歯溝の側壁面及び歯底面部にレーザの吸収剤３を予め塗布することにより、レーザの吸収剤３の塗布された部分が、加熱し易い歯先部分より多くのエネルギーを吸収するため、均等に熱処理することができるものである。
【０００９】
また、特開昭６０−２１５７１５号公報に記載された技術によれば、レーザ熱処理方法において、図１２に示すように、レーザビーム発生装置４０から発生されたレーザ１は、三角柱状のミラー５により２つのレーザに分岐される。
【００１０】
そして、分岐された各レーザ１は、全反射ミラー６により反射され、反射されたそれぞれのレーザ１は、それぞれ、凸レンズ７により集光されたあと、互いに対向する歯２の側壁面にレーザ１が照射されて、歯車２がレーザにより熱処理される方法である。
【００１１】
また、特開昭６０−９８２８号公報に記載された技術によれば、図１３に示すように、レーザ１を、面に孔が形成され回転される回転ホイール８に照射して、この回転ホイール８により反射されるか、この回転ホイール８を通過するかにより、通過経路と時間とを分岐し、レンズ７、鏡体６を介して、歯車２の側面部分を交互に入射角度を設けて照射して、熱処理する方法がある。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した特開昭６１−２８４５１９号公報に記載された技術のように、レーザ１の吸収剤３を塗布する方法は、吸収剤３の塗布作業工程が増加するため、熱処理全体の作業時間が増加し、量産上、好ましいものではない。
【００１３】
また、特開昭６０−２１５７１５号公報に記載されたの技術のように、レーザ１を分岐し、分岐したレーザ１を反射ミラー６により折り返し、それぞれを、凸レンズ７により集光させたあと、対向する歯の側壁にレーザ１を照射する熱処理の場合、１つの歯形形状を熱処理する場合はよいが、歯車２の歯の間隔やサイズが異なったものを熱処理する場合には、レーザ１の照射位置を変更することが非常に困難である。
【００１４】
つまり、特開昭６０−２１５７１５号公報記載の技術にあっては、歯車２の歯の間隔やサイズが異なったものを熱処理する場合には、２つの反射ミラー６の互いの位置関係、２つの凸レンズ７の互いの位置関係、ミラー５と反射ミラー６と凸レンズ７と歯車２との相対位置関係を変更調整しなければならず、その調整が非常に困難であるという問題がある。
【００１５】
また、特開昭６０−９８２８号公報に記載された技術のように、レーザ１を回転ホイール８により、時間分岐し歯の側壁に対し交互に、入射する熱処理方法の場合、図１４に示すように、一方向からのレーザと他方向からのレーザとの照射が重なる部分Ａは、一方向からのレーザ１による熱処理後に、他方向からのレーザ１により、再入熱されるため、焼き鈍しの状態になり所望の硬化層９が得られないという問題が発生する。
【００１６】
例えば、図１５に示すように、歯底が平面状となった形状の歯形の場合は、歯底部分であるＢ部の軟化は歯の強度上、許容される。
【００１７】
これに対して、図１４に示すような、歯底が平面状ではなく、Ｕ字形状のような歯形の場合には、歯底Ａ部の軟化は、応力集中部であるため、歯車２の歯溝の強度を著しく低下させるという問題が発生する。
【００１８】
本発明の目的は、複雑な調整を伴うこと無く、種々の形状及び寸法の歯車の歯溝表面の硬化層を均一化することが可能な、レーザによる歯車の熱処理方法及び装置を実現することである。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明は次のように構成される。
（１）レーザによる歯車の熱処理方法において、レーザビーム発生手段から発生された２つのレーザビームを光学系部の２つのレーザ整形部に導入すること、上記２つのレーザ整形部を、それぞれ、レンズの中心を結んだレンズ中心軸が同軸上に位置する複数のレンズで構成し、かつ２つのレーザ整形部間でそれぞれのレンズ中心軸が平行となるように配置すること、楕円形状の２つのレーザビームスポットの長手方向を歯車の円周方向と一致させ、上記楕円形状の２つのビームスポットが上記歯車の歯溝の歯底面を間とする側壁面に位置するように、上記２つのレーザビームを上記２つのレーザ整形部において整形して歯溝に照射し、かつ歯車の軸方向に上記楕円形状の２つのビームスポットを相対的に移動し、歯車に入熱を行うこと、上記光学系部の２つのレーザ整形部のそれぞれに上記複数のレンズの１つとしてウエッジ基板を配置し、このウエッジ基板を回転させることにより、上記楕円形状の２つのビームスポットの互いの照射位置間隔を可変とし、熱処理の対象である歯車のピッチに対応して、楕円形状の２つのビームスポットの互いの照射位置間隔を調整する。
【００２０】
（２）また、レーザによる歯車の熱処理方法において、レーザビーム発生手段から発生された２つのレーザビームを２つの光学系部の２つのレーザ整形部に導入すること、上記２つのレーザ整形部を、それぞれ、レンズの中心を結んだレンズ中心軸が同軸上に位置する複数のレンズで構成し、かつ２つのレーザ整形部間でそれぞれのレンズ中心軸が平行となるように配置すること、楕円形状の２つのレーザビームスポットの長手方向を歯車の円周方向と一致させ、上記楕円形状の２つのビームスポットが上記歯車の歯溝の歯底面を間とする側壁面に位置するように、上記２つのレーザビームを上記２つのレーザ整形部において整形して歯溝に照射し、かつ歯車の軸方向に上記楕円形状の２つのビームスポットを相対的に移動し、歯車に入熱を行うこと、上記２つの光学系部の間隔を調整する手段を設け、この手段を駆動して上記２つの光学系部の間隔を調整するすることにより、上記レーザ整形部のレンズ中心軸の間隔を調整して上記楕円形状の２つのビームスポットの互いの照射位置間隔を可変とし、熱処理の対象である歯車のピッチに対応して、楕円形状の２つのビームスポットの互いの照射位置間隔を調整する。
【００２１】
（３）レーザによる歯車の熱処理装置において、２つのレーザビームを発生するレーザビーム発生手段と、上記レーザビーム発生手段から発生された２つのレーザビームを導入し、この２つのレーザビームを楕円形状の２つのレーザビームスポットを形成するよう整形して照射する光学系部と、歯車をその中心軸に対して回転させる回転テーブルと、上記光学系部から出射されたレーザビームの光軸を、歯車の軸方向に相対的に移動させる移動手段と、上記楕円形状の２つのビームスポットの互いの間隔を調整する調整手段とを備え、上記光学系部は、上記楕円形状の２つのレーザビームスポットの長手方向を歯車の円周方向と一致させ、上記楕円形状の２つのビームスポットが上記歯車の歯溝の歯底面を間とする側壁面に位置するように、上記２つのレーザビームを整形して歯溝に照射する２つのレーザ整形部を有し、上記２つのレーザ整形部は、それぞれ、レンズの中心を結んだレンズ中心軸が同軸上に位置する複数のレンズを含み、かつ２つのレーザ整形部間でそれぞれのレンズ中心軸が平行となるように配置され、上記調整手段は、上記光学系部の２つのレーザ整形部のそれぞれに上記複数のレンズの１つとして配置されたウエッジ基板を有し、このウエッジ基板を回転させることにより、上記楕円形状の２つのビームスポットの互いの照射位置間隔を可変とし、熱処理の対象である歯車のピッチに対応して、楕円形状の２つのビームスポットの互いの照射位置間隔を調整する。
【００２２】
（４）また、レーザによる歯車の熱処理装置において、２つのレーザビームを発生するレーザビーム発生手段と、上記レーザビーム発生手段から発生された２つのレーザビームを導入し、この２つのレーザビームを楕円形状の２つのレーザビームスポットを形成するよう整形して照射する２つの光学系部と、歯車をその中心軸に対して回転させる回転テーブルと、上記２つの光学系部から出射されたレーザビームの光軸を、歯車の軸方向に相対的に移動させる移動手段と、上記楕円形状の２つのビームスポットの互いの間隔を調整する調整手段とを備え、上記２つの光学系部は、上記楕円形状の２つのレーザビームスポットの長手方向を歯車の円周方向と一致させ、上記楕円形状の２つのビームスポットが上記歯車の歯溝の歯底面を間とする側壁面に位置するように、上記２つのレーザビームを整形して歯溝に照射する２つのレーザ整形部を有し、上記２つのレーザ整形部は、それぞれ、レンズの中心を結んだレンズ中心軸が同軸上に位置する複数のレンズを含み、かつ２つのレーザ整形部間でそれぞれのレンズ中心軸が平行となるように配置され、上記調整手段は、上記２つの光学系部の間隔を調整する手段を有し、この手段を駆動して上記２つの光学系部の間隔を調整することにより、上記レーザ整形部のレンズ中心軸の間隔を調整して上記楕円形状の２つのビームスポットの互いの照射位置間隔を可変とし、熱処理の対象である歯車のピッチに対応して、楕円形状の２つのビームスポットの互いの照射位置間隔を調整する。
【００２３】
（５）また、好ましくは、上記（３）又は（４）において、上記２つのレーザビームを、楕円形状の２つのレーザビームスポットを形成するよう整形して照射する２つのレーザ整形部は、それぞれ、シリンドリカルレンズを有する。
（６）また、好ましくは、上記（５）において、上記２つのレーザ整形部は、それぞれ、上記シリンドリカルレンズとして１つのシリンドリカル凸レンズを有する。
【００２４】
楕円状の２つのレーザビームを、上記楕円状のレーザビームの長手方向を歯車の円周方向と一致させ、２つのレーザビームのそれぞれのパワー密度の頂点が歯底面を間とする側壁面に位置するように、歯車の歯溝の歯底面に対して垂直方向から、歯車に照射し、照射した２つのビームスポットを歯車の軸方向に移動させる。
【００２５】
これにより、レーザが９０度未満の入射角で入射され、エネルギーの吸収率が低い側壁面にパワー密度の頂点部分が照射され、レーザがほぼ９０度の角度で入射され、エネルギーの吸収率が高い歯底面にパワー密度が低い部分が照射されるため、歯車の歯溝全体に亘って、ほぼ均一化した入熱量となり、歯溝の硬化層もほぼ均一化される。
【００２６】
また、２つのレーザビームの光軸は、互いに平行に近い状態で歯車２に照射される構成となっているため、２つのレーザビームの互いの間隔を調整する手段は、簡単な構成で実現することができる。
【００２７】
したがって、複雑な調整を伴うこと無く、種々の形状及び寸法の歯車の歯溝表面の硬化層を均一化することが可能な、レーザによる歯車の熱処理方法及び装置を実現することができる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の実施形態であるレーザによる歯車の熱処理方法及び装置が適用されるレーザ熱処理装置の概略構成図である。
【００２９】
図１において、本発明が適用されるレーザ熱処理装置には、２つの電源１１及びレーザ発振器４からレーザ１を伝送するための２つの光ファイバ１３が配置されている。
【００３０】
また、レーザ熱処理装置は光学系部１４を備えており、この光学系部１４には、２つの光ファイバ１３の端部をフロントフォーカス位置とし配置された２つの凸レンズ１６（後述）が配置され、光ファイバ１３から出射されたレーザ１をコリメートする。
【００３１】
また、光学系部１４の凸レンズ１６の後段には、レーザ整形部が配置されており、レーザ１は、レーザ整形部の集光レンズにより、歯車２の歯の谷部を中心に図２に示すような分布の２つの楕円スポット１０を形成する。
【００３２】
レーザ熱処理装置は、駆動系１５を備え、この駆動系１５は上記光学系部１４に連結され、光学系部１４を歯車２の軸方向に、歯車２に対して相対的に移動させる。
さらに、レーザ熱処理装置には、歯車２をこの歯車２の中心を回転中心として回転させる回転テーブル（図示せず）が設置してあり、図１に示すように、レーザ光学系部１４の中心軸Ｃが、歯車２の歯溝のほぼ中心点を通過する配置となるように、回転位置決めする。
【００３３】
これにより、２つのレーザスポット１０は、図３に示すように、それぞれ、歯の側壁に照射される。
なお、コントローラ１２は、駆動系１５及び電源１１の動作を制御する。
【００３４】
上述した凸レンズ１６の後段のレーザ整形部の３つの構成例を図４に示す。なお、図４の（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）に示した各光学系は、片側部分の構成のみであるが、実際には２つの同一の光学系が並んだ構成となる。
【００３５】
図４の（Ａ）に示した例において、凸レンズ１６を通過したレーザ１は、シリンドリカル凸レンズ１７、シリンドリカル凹レンズ１８、集光レンズ７を介して歯車２に照射され、スポット１０となる。
【００３６】
この図４の（Ａ）に示した例の場合、シリンドリカル凹レンズ１８の焦点距離をｆ1とし、シリンドリカル凸レンズ１７の焦点距離をｆ2とすると、シリンドリカル凸レンズ１７とシリンドリカル凹レンズ１８との互いの距離Ｄ1は、Ｄ1＝ｆ1＋ｆ2の位置に配置される。
【００３７】
また、図４の（Ｂ）に示した例において、凸レンズ１６を通過したレーザ１は、シリンドリカル凸レンズ１７、シリンドリカル凸レンズ１７、集光レンズ７を介して歯車２に照射され、スポット１０となる。
【００３８】
この図４の（Ｂ）に示した例の場合、前段のシリンドリカル凸レンズ１７の焦点距離をｆ’1 とし、後段のシリンドリカル凸レンズ１７の焦点距離をｆ’2とすると、２つのシリンドリカル凸レンズ１７の互いの距離Ｄ2は、Ｄ2＝ｆ’1＋ｆ’2の位置に配置される。
【００３９】
また、図４の（Ｃ）に示した例において、凸レンズ１６を通過したレーザ１は、シリンドリカル凸レンズ１７、集光レンズ７を介して歯車２に照射され、スポット１０となる。
【００４０】
図４の（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）に示した例のうち、最も好ましいものとしては、シリンドリカル凸レンズ１７を１枚を配置する図４の（Ｃ）の例と考えられる。
これは、上述したシリンドリカルレンズを２枚配置する光学系の場合、装置構成上、距離Ｄ1もしくは距離Ｄ2のスペースを確保する必要があり、装置サイズをコンパクトにするためには、焦点距離ｆ1、ｆ2（またはｆ’1 、ｆ’2）を小さくする必要がある。この場合、２枚のシリンドリカルレンズの組み合わせの調整要素が多く、調整が非常に困難である。
しかし、シリンドリカルレンズを１枚のみ使用する構成であれば、楕円スポット１０を整形する方式の場合、長焦点のシリンドリカルレンズを使用するため、シリンドリカルレンズ配置の調整が非常に簡便となり、調整要素が少なくて済むためである。
【００４１】
ところで、上述した従来技術のように、歯車２の歯溝の表面熱処理をするために、図５に示すように、歯溝に対し直上にレーザ１を入射すると、硬化層９（図５の（Ｂ）の斜線部）の分布は側壁面では薄く、底面の表面では厚くなり、不均一な熱処理しか施せない。
これは、歯溝の底部に適厚な硬化層９を形成した場合は、側壁面に十分な厚さの硬化層９が形成されないからであり、入射されるレーザ１のパワー密度分布が、図５の（Ａ）に示すように、レーザ光軸の中心部分にピークをもつガウス分布であること、レーザ１の入射角が歯底に対しては鉛直であるのに対し、側壁面では９０度以下の角度となり、レーザ１の側壁面に対する吸収率が著しく低下することから、側壁面と底面とにおける吸収率分布が、図５の（Ｃ）に示すように、側壁面より底面が高くなるという分布となることに起因するものであった。
【００４２】
これに対して、本発明の実施形態であるレーザによる歯車の熱処理方法及び装置においては、光学系部１４から歯車２に出力されるレーザ１のパワー密度分布は、図６の（Ｃ）に示す歯溝のエネルギー吸収率分布に対し、図６の（Ａ）、（Ｂ）に示すように、歯の側壁部に高いパワー密度分布のレーザ１が照射され、歯底には低いパワー密度分布のレーザが照射されるため、歯側面の低い吸収率を補う形での入射となる。
これにより、図６の（Ｄ）に示すように、歯溝全体の入熱量をほぼ均一にすることが可能となり、この分布を上述した歯車２の軸方向の移動手段により移動させることにより、歯溝の表面に対し均一な熱処理を行うことが可能となる。
【００４３】
さらに、上記構成において、レーザ熱処理装置に対しウェッジ基板をレーザ整形部の前段もしくは集光レンズ７の前段に配置することにより、集光レンズ７に対しレーザ光の入射角を変化させることが可能である。
【００４４】
図７は、ウェッジ基板１９を集光レンズ７の前段に用いた場合の例であり、レーザ整形部は、シリンドリカル凸レンズ１７を１枚を使用した例である。
【００４５】
この図７に示すように、ウェッジ基板１９を配置することにより、楕円スポット１０の歯車２における位置は、集光レンズ７の中心軸Ｃａに対して変位した位置となる。
【００４６】
そして、ウエッジ基板１９を、その軸を中心として回転すると、集光レンズ７の中心軸Ｃａに対して変位した楕円スポット１０は、ウェッジ基板１９の回転に伴って、図８に示すように、回転移動する。
【００４７】
このことにより、左右のスポット１０の位置関係は、ウェッジ基板１９の角度と回転方向により決定することとなる。
【００４８】
また、左右のスポット１０は、ウエッジ基板１９を図８に示す回転方向に回転させた場合、つまり、右側のウェッジ基板１９を反時計方向に回転させ、左側のウェッジ基板１９を時計方向に回転させた場合、図８中の左側スポット１０は、１→２→３→・・・→７→８のように連続的に移動する。また、図８中の右側スポット１０は、１’→２’→３’→・・・→７’→８’のように連続的に移動する。
【００４９】
そして、図７中の右側のウエッジ基板１９の回転角を、左側のウエッジ基板１９の回転角と同一量だけ逆回転させれば、相対的にある程度任意に、左右のスポット１０の位置関係を変更することが可能である。
【００５０】
これにより、２つのスポット１０は、歯車２の円周方向に存在した状態で、互いの間隔を調整することが可能である。
【００５１】
したがって、熱処理する対象である歯車２の歯幅が変更になった場合は、ウエッジ基板１９の回転量を調整し、レーザの出力パワーを調整することにより対応可能である。
【００５２】
図９は、２つのスポット１０の互いの間隔を調整する他の例を示す図である。
図７に示した例は、ウェッジ基板１９を回転させることにより、２つのスポット１０の互いの間隔を調整する例であるが、図９に示す例は、２つ光学系部１４の互いの間隔を調整することにより、２つのスポット１０の互いの間隔を調整する例である。
【００５３】
図９の（Ａ）は、２つの光学系部１４の互いの間隔を調整して、２つのスポット１０の互いの間隔を調整する手段の上面を示し、図９の（Ｂ）は、上記調整手段の側面を示す。
【００５４】
図９において、モータ３０を駆動することにより、台形ギアが回転し、左右の２つのスライダー２２が互いに接近する方向又は離間する方向に移動する。このスライダー２２には、それぞれ、光学系部１４が取り付けられている。
【００５５】
したがって、モータ３０の駆動により、２つの光学系部１４の互いの間隔を調整して、２つのレーザスポット１０の互いの間隔を調整することができる。
【００５６】
以上のように、本発明の一実施形態によれば、光軸が互いに平行な楕円状の２つのレーザビーム１を、上記楕円状のレーザビーム１の長手方向を歯車２の円周方向と一致させ、２つのレーザビーム１のそれぞれのパワー密度の頂点が歯底面を間とする側壁面に位置するように、歯車２の歯溝の歯底面に対して垂直方向から、歯車２に照射し、照射した２つのビームスポット１０を歯車２の軸方向に移動させる。
【００５７】
これにより、レーザ１が９０度未満の入射角で入射され、エネルギーの吸収率が低い側壁面にパワー密度の頂点部分が照射され、レーザ１がほぼ９０度の角度で入射され、エネルギーの吸収率が高い歯底面にパワー密度が低い部分が照射されるため、歯車２の歯溝全体に亘って、ほぼ均一化した入熱量となり、歯溝の硬化層もほぼ均一化される。
【００５８】
また、２つのレーザビーム１の光軸は、互いに平行となった状態で歯車２に照射される構成となっているため、２つのレーザビーム１の互いの間隔を調整する手段は、簡単な構成で実現することができる。
【００５９】
したがって、複雑な調整を伴うこと無く、種々の形状及び寸法の歯車の歯溝表面の硬化層を均一化することが可能な、レーザによる歯車の熱処理方法及び装置を実現することができる。
【００６０】
なお、２つのレーザスポット１０の互いの間隔を調整する手段としては、図７及び図９に示した例の他に、図４に示した集光レンズ７又は凸レンズ１６を移動することにより、２つのレーザスポット１０の互いの間隔を調整することもできる。
【００６１】
【発明の効果】
本発明によれば、複雑な調整を伴うこと無く、簡単な制御や調整で、種々の形状及び寸法の歯車の歯溝表面の硬化層を均一化することが可能な、レーザによる歯車の熱処理方法及び装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態であるレーザによる歯車の熱処理方法及び装置が適用されるレーザ熱処理装置の概略構成図である。
【図２】本発明の一実施形態におけるレーザビームのパワー密度の説明図である。
【図３】本発明の一実施形態におけるレーザビームスポットの歯車への照射位置を説明する図である。
【図４】レーザ整形部の構成例を示す図である。
【図５】本発明と比較するための従来技術におけるレーザのパワー密度と歯溝の吸収率とを説明する図である。
【図６】本発明の一実施形態におけるレーザのパワー密度と、歯溝の吸収率と、歯溝への入熱量とを説明する図である。
【図７】本発明の一実施形態における２つのレーザスポットの間隔を調整する手段の一例を示す図である。
【図８】図７の例のレーザスポットの照射位置を変更する場合の説明図である。
【図９】本発明の一実施形態における２つのレーザスポットの間隔を調整する手段の他の例を示す図である。
【図１０】従来技術におけるレーザによる歯車の熱処理方法の一例を示す図である。
【図１１】従来技術におけるレーザによる歯車の熱処理方法の他の例を示す図である。
【図１２】従来技術におけるレーザによる歯車の熱処理方法のさらに他の例を示す図である。
【図１３】従来技術におけるレーザによる歯車の熱処理方法のさらに他の例を示す図である。
【図１４】従来技術における問題点の説明図である。
【図１５】従来技術における問題点の説明図である。
【符号の説明】
１ レーザ
２ 歯車
４ レーザ発振器
７ 集光レンズ
１０ 楕円レーザスポット
１１ 電源
１２ コントローラ
１３ 光ファイバ
１４ 光学系部
１５ 軸方向駆動系
１６ 凸レンズ
１７ シリンドリカル凸レンズ
１８ シリンドリカル凹レンズ
１９ ウエッジ基板
２０ モータ
２１ 台形ギア
２２ スライダ
Claims (6)
- レーザによる歯車の熱処理方法において、
レーザビーム発生手段から発生された２つのレーザビームを光学系部の２つのレーザ整形部に導入すること、
上記２つのレーザ整形部を、それぞれ、レンズの中心を結んだレンズ中心軸が同軸上に位置する複数のレンズで構成し、かつ２つのレーザ整形部間でそれぞれのレンズ中心軸が平行となるように配置すること、
楕円形状の２つのレーザビームスポットの長手方向を歯車の円周方向と一致させ、上記楕円形状の２つのビームスポットが上記歯車の歯溝の歯底面を間とする側壁面に位置するように、上記２つのレーザビームを上記２つのレーザ整形部において整形して歯溝に照射し、かつ歯車の軸方向に上記楕円形状の２つのビームスポットを相対的に移動し、歯車に入熱を行うこと、
上記光学系部の２つのレーザ整形部のそれぞれに上記複数のレンズの１つとしてウエッジ基板を配置し、このウエッジ基板を回転させることにより、上記楕円形状の２つのビームスポットの互いの照射位置間隔を可変とし、熱処理の対象である歯車のピッチに対応して、楕円形状の２つのビームスポットの互いの照射位置間隔を調整することを特徴とするレーザによる歯車の熱処理方法。 - レーザによる歯車の熱処理方法において、
レーザビーム発生手段から発生された２つのレーザビームを２つの光学系部の２つのレーザ整形部に導入すること、
上記２つのレーザ整形部を、それぞれ、レンズの中心を結んだレンズ中心軸が同軸上に位置する複数のレンズで構成し、かつ２つのレーザ整形部間でそれぞれのレンズ中心軸が平行となるように配置すること、
楕円形状の２つのレーザビームスポットの長手方向を歯車の円周方向と一致させ、上記楕円形状の２つのビームスポットが上記歯車の歯溝の歯底面を間とする側壁面に位置するように、上記２つのレーザビームを上記２つのレーザ整形部において整形して歯溝に照射し、かつ歯車の軸方向に上記楕円形状の２つのビームスポットを相対的に移動し、歯車に入熱を行うこと、
上記２つの光学系部の間隔を調整する手段を設け、この手段を駆動して上記２つの光学系部の間隔を調整するすることにより、上記レーザ整形部のレンズ中心軸の間隔を調整して上記楕円形状の２つのビームスポットの互いの照射位置間隔を可変とし、熱処理の対象である歯車のピッチに対応して、楕円形状の２つのビームスポットの互いの照射位置間隔を調整することを特徴とするレーザによる歯車の熱処理方法。 - レーザによる歯車の熱処理装置において、
２つのレーザビームを発生するレーザビーム発生手段と、
上記レーザビーム発生手段から発生された２つのレーザビームを導入し、この２つのレーザビームを楕円形状の２つのレーザビームスポットを形成するよう整形して照射する光学系部と、
歯車をその中心軸に対して回転させる回転テーブルと、
上記光学系部から出射されたレーザビームの光軸を、歯車の軸方向に相対的に移動させる移動手段と、
上記楕円形状の２つのビームスポットの互いの間隔を調整する調整手段と、
を備え、
上記光学系部は、上記楕円形状の２つのレーザビームスポットの長手方向を歯車の円周方向と一致させ、上記楕円形状の２つのビームスポットが上記歯車の歯溝の歯底面を間とする側壁面に位置するように、上記２つのレーザビームを整形して歯溝に照射する２つのレーザ整形部を有し、
上記２つのレーザ整形部は、それぞれ、レンズの中心を結んだレンズ中心軸が同軸上に位置する複数のレンズを含み、かつ２つのレーザ整形部間でそれぞれのレンズ中心軸が平行となるように配置され、
上記調整手段は、上記光学系部の２つのレーザ整形部のそれぞれに上記複数のレンズの１つとして配置されたウエッジ基板を有し、このウエッジ基板を回転させることにより、上記楕円形状の２つのビームスポットの互いの照射位置間隔を可変とし、熱処理の対象である歯車のピッチに対応して、楕円形状の２つのビームスポットの互いの照射位置間隔を調整することを特徴とするレーザによる歯車の熱処理装置。 - レーザによる歯車の熱処理装置において、
２つのレーザビームを発生するレーザビーム発生手段と、
上記レーザビーム発生手段から発生された２つのレーザビームを導入し、この２つのレーザビームを楕円形状の２つのレーザビームスポットを形成するよう整形して照射する２つの光学系部と、
歯車をその中心軸に対して回転させる回転テーブルと、
上記２つの光学系部から出射されたレーザビームの光軸を、歯車の軸方向に相対的に移動させる移動手段と、
上記楕円形状の２つのビームスポットの互いの間隔を調整する調整手段と、
を備え、
上記２つの光学系部は、上記楕円形状の２つのレーザビームスポットの長手方向を歯車の円周方向と一致させ、上記楕円形状の２つのビームスポットが上記歯車の歯溝の歯底面を間とする側壁面に位置するように、上記２つのレーザビームを整形して歯溝に照射する２つのレーザ整形部を有し、
上記２つのレーザ整形部は、それぞれ、レンズの中心を結んだレンズ中心軸が同軸上に位置する複数のレンズを含み、かつ２つのレーザ整形部間でそれぞれのレンズ中心軸が平行となるように配置され、
上記調整手段は、上記２つの光学系部の間隔を調整する手段を有し、この手段を駆動して上記２つの光学系部の間隔を調整することにより、上記レーザ整形部のレンズ中心軸の間隔を調整して上記楕円形状の２つのビームスポットの互いの照射位置間隔を可変とし、熱処理の対象である歯車のピッチに対応して、楕円形状の２つのビームスポットの互いの照射位置間隔を調整することを特徴とするレーザによる歯車の熱処理装置。 - 請求項３又は４のうちのいずれか一項記載のレーザによる歯車の熱処理装置において、上記２つのレーザビームを、楕円形状の２つのレーザビームスポットを形成するよう整形して照射する２つのレーザ整形部は、それぞれ、シリンドリカルレンズを有することを特徴とするレーザによる歯車の熱処理装置。
- 請求項５記載のレーザによる歯車の熱処理装置において、
上記２つのレーザ整形部は、それぞれ、上記シリンドリカルレンズとして１つのシリンドリカル凸レンズを有することを特徴とするレーザによる歯車の熱処理装置。
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