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JP7617426B2 - Laser Processing Equipment - Google Patents
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Description

本発明は、レーザ加工装置に関する。 The present invention relates to a laser processing device.

鋼板の一種である電磁鋼板を搬送ラインに沿って高速で通板し、高出力なレーザビームを電磁鋼板の表面に照射し、通板方向に対してほぼ垂直な方向に直線状に走査させることで、線状の溝や歪を一定間隔で形成し、電磁鋼板の鉄損を低減する、いわゆる磁区制御プロセスが実用化されている。
磁区制御プロセスを経た電磁鋼板は、トランスの鉄芯等の材料として供され、電力損失の改善に寄与している。特に、レーザで線状の溝を形成した磁区制御材は、巻き鉄心製造工程における熱処理後も磁区制御効果が維持される特徴を有している。
しかしながら、電磁鋼板は、巻き鉄芯の製造工程において曲げ加工を行うため、曲げ加工の際の折曲げ線の方向と線状の溝の方向とが一致すると、線状の溝に応力が集中し、電磁鋼板が破断する可能性がある。
電磁鋼板の曲げ加工の際の折曲げ線の方向、即ち、折曲げ方向は、一般に、電磁鋼板の板幅方向になるため、線状の溝の方向と板幅方向とが平行にならないように調整することが望ましい。例えば、線状の溝の方向を、約10°程度、板幅方向から傾けることが望ましいと考えられる。
A so-called magnetic domain control process has been put into practical use in which an electromagnetic steel sheet, a type of steel sheet, is passed at high speed along a conveyor line and a high-power laser beam is irradiated onto the surface of the electromagnetic steel sheet and scanned in a straight line in a direction nearly perpendicular to the sheet passing direction, forming linear grooves and distortions at regular intervals and reducing the iron loss of the electromagnetic steel sheet.
Magnetic steel sheets that have undergone the magnetic domain control process are used as materials for transformer cores, etc., and contribute to improving power loss. In particular, magnetic domain control materials in which linear grooves have been formed by a laser have the characteristic that the magnetic domain control effect is maintained even after heat treatment in the wound core manufacturing process.
However, since the electromagnetic steel sheet is bent during the manufacturing process of the wound iron core, if the direction of the bend line during bending coincides with the direction of the linear groove, stress will be concentrated in the linear groove, and the electromagnetic steel sheet may break.
Since the direction of the bend lines during bending of the electromagnetic steel sheet, i.e., the bending direction, is generally the sheet width direction of the electromagnetic steel sheet, it is desirable to adjust the direction of the linear grooves so that they are not parallel to the sheet width direction. For example, it is considered desirable to tilt the direction of the linear grooves by about 10° from the sheet width direction.

例えば、以下の特許文献1、3、4には、鋼板支持ロールの周面に沿って鋼板を搬送し、レーザビームを照射するにあたり、鋼板に接した鋼板支持ロールの頂点におけるレーザビームの照射位置を基準点とし、この基準点から鋼板支持ロールの外周面に沿って、通板方向に3~7°隔離した範囲において、レーザビームを照射する技術が開示されている。また、これらの特許文献に記載の技術では、鋼板支持ロールの頂点から回転方向に3~7°移動した位置で、レーザビームの走査方向を板幅方向から4°程度傾ける方法を採用している。
また、特許文献2には、鋼板支持ロールの周面に沿って鋼板を搬送し、鋼板の幅方向に沿ってレーザビームを照射するにあたり、鋼板の幅方向に沿ったレーザビームの焦点距離の変化に合わせて、鋼板支持ロールの傾きを変化させる技術が開示されている。
For example, the following Patent Documents 1, 3, and 4 disclose a technique in which a steel sheet is transported along the peripheral surface of a steel sheet support roll and a laser beam is irradiated, with the laser beam being irradiated in a range separated from this reference point by 3 to 7° in the sheet passing direction along the outer peripheral surface of the steel sheet support roll, using the laser beam irradiation position at the apex of the steel sheet support roll in contact with the steel sheet as a reference point. Furthermore, the techniques described in these Patent Documents employ a method in which the scanning direction of the laser beam is tilted by about 4° from the sheet width direction at a position moved 3 to 7° in the rotational direction from the apex of the steel sheet support roll.
Furthermore, Patent Document 2 discloses a technology in which a steel plate is transported along the peripheral surface of a steel plate support roll, a laser beam is irradiated along the width direction of the steel plate, and the inclination of the steel plate support roll is changed in accordance with a change in the focal length of the laser beam along the width direction of the steel plate.

特許第6826603号公報Patent No. 6826603 特許第6826604号公報Patent No. 6826604 特許第6826605号公報Patent No. 6826605 特許第6826606号公報Patent No. 6826606

特許文献2に記載の如く鋼板支持ロールを傾斜させると、板幅方向に係る張力のバランスが崩れるため、鋼板が蛇行しやすくなり、最悪の場合は鋼板が破断するおそれがある。また、鋼板支持ロールは重量物であり、鋼板支持ロールの傾きを精密に制御するには大型で高精度のアクチュエータが必要となる問題がある。 When the steel plate support rolls are tilted as described in Patent Document 2, the balance of tension in the plate width direction is lost, making the steel plate more likely to meander and, in the worst case, causing the steel plate to break. In addition, the steel plate support rolls are heavy, and there is a problem that a large, high-precision actuator is required to precisely control the tilt of the steel plate support rolls.

ところで、レーザビームを用いて鋼板表面に高速で溝加工を行うには、高いレーザパワー密度が必要なため、1kW以上の高出力のレーザビームを、100mμ以下の微小なビームスポット径に集光して鋼板表面に照射し、走査する必要がある。一般にレーザの集光素子として、fθレンズや放物面ミラーが使われるが、透過素子であるレンズに高出力レーザを適用する場合、レンズの吸収や汚れによるわずかな発熱で屈折率変化や熱膨張が発生し、集光性能が劣化する問題がある。レンズの集光性能が劣化することは、熱レンズ効果による影響であるといわれるが、こうした熱レンズ効果が生じることから、高出力レーザーを上述の目的に利用することは、実用上困難であるという問題がある。
一方、集光ミラーは、金属素子で冷却することも容易であり、集光性劣化が小さく、上述の目的に適用するのに都合が良い。また、微小なビームスポット径に集光するという要求からは、焦点距離の短い集光素子を使う必要があるが、焦点深度が短くなることで、安定した溝加工を行うために、振動等に対して許容できる変動幅が、±0.5mm以下となってしまう場合もある。
However, in order to perform high-speed groove processing on the surface of a steel plate using a laser beam, a high laser power density is required, so that a high-power laser beam of 1 kW or more must be focused to a minute beam spot diameter of 100 mμ or less and irradiated and scanned on the surface of the steel plate. Generally, an fθ lens or a parabolic mirror is used as a focusing element for a laser, but when a high-power laser is applied to a lens, which is a transmitting element, there is a problem that a slight heat generation due to absorption or dirt in the lens causes a change in refractive index or thermal expansion, resulting in deterioration of the focusing performance. It is said that the deterioration of the focusing performance of the lens is due to the thermal lens effect, but because of the occurrence of such a thermal lens effect, there is a problem that it is practically difficult to use a high-power laser for the above-mentioned purpose.
On the other hand, the focusing mirror can be easily cooled by a metal element, and the deterioration of the focusing ability is small, which is convenient for the above-mentioned purpose. In addition, the requirement of focusing to a minute beam spot diameter requires the use of a focusing element with a short focal length, but the short focal depth may result in the allowable fluctuation width against vibrations, etc., being ±0.5 mm or less in order to perform stable groove processing.

鋼板の製造プロセスでは、鋼板は高速で通板されるが、その際鋼板は、複数の回転するサポートロール上を通板されることになる。この時、鋼板は、鋼板の張力変動や鋼板強度の変化等の要因によって、サポートロール間において振動するが、レーザビームの集光焦点深度よりも鋼板の振動幅が大きくなると、レーザビームの焦点ボケが発生し、加工性が劣化するという問題がある。
鋼板の振動を抑制する方法としては、例えばサポートロールの平行度、間隔、ロール間張力等を調整する方法があり、そうした方法を用いることで、ある程度の振動抑制は可能である。ところが、これらの全てについて、十分な調整をすることは難しく振動を抑制するには限界がある。
In the steel sheet manufacturing process, the steel sheet is passed at high speed over multiple rotating support rolls. During this process, the steel sheet vibrates between the support rolls due to factors such as tension fluctuations and strength changes in the steel sheet. If the vibration amplitude of the steel sheet becomes larger than the focal depth of the laser beam, the laser beam becomes out of focus, which causes a problem of degraded workability.
Methods for suppressing vibration of steel sheets include, for example, adjusting the parallelism, interval, inter-roll tension, etc. of support rolls, and it is possible to suppress vibration to a certain extent by using such methods. However, it is difficult to adjust all of these sufficiently, and there is a limit to the suppression of vibration.

振動を抑制するその他の方法としては、鋼板をサポートロールに付勢して通板させ(即ち、鋼板に張力を掛けることで、鋼板をサポートロールに密着するように押し付け、サポートロールの頂点部分に沿って通板させ)、レーザビームを鋼板がサポートロール上を通過する位置で照射する方法が考えられる。この方法では、鋼板がロール表面の頂点部分の曲面に沿うため、鋼板の振動はほぼ発生しない。しかし、サポートロールの回転軸方向が鋼板の板幅方向と一致しているため、上述のように、レーザビームの走査方向と板幅方向との間に一定の角度を設定する必要がある。この場合、サポートロールの曲面の影響で、走査経路上の中心位置から走査経路上の端の位置に向けて、集光素子から鋼板までの距離が変化することになり、レーザビーム走査線の中央位置でレーザビームの焦点を合したとしても、レーザビーム走査線の端部側ではレーザビームの焦点ボケが大きくなり、加工性が劣化するという問題がある。 Another method for suppressing vibration is to force the steel sheet against the support rolls (i.e., by applying tension to the steel sheet, the steel sheet is pressed against the support rolls so that it is in close contact with them and passes along the apex of the support rolls), and to irradiate the laser beam at the position where the steel sheet passes over the support rolls. In this method, the steel sheet follows the curved surface of the apex of the roll surface, so there is almost no vibration of the steel sheet. However, since the direction of the rotation axis of the support rolls coincides with the width direction of the steel sheet, as described above, it is necessary to set a certain angle between the scanning direction of the laser beam and the width direction of the sheet. In this case, due to the influence of the curved surface of the support rolls, the distance from the focusing element to the steel sheet changes from the center position on the scanning path to the end position on the scanning path, and even if the laser beam is focused at the center position of the laser beam scanning line, there is a problem that the laser beam becomes significantly out of focus at the end side of the laser beam scanning line, and the workability deteriorates.

本発明は、上述の問題に鑑みなされたものであり、サポートロールに付勢されて通板される鋼板にレーザビームを照射する際、簡易な装置構成で、レーザビームの走査領域の全域に亘って、焦点ボケを極力抑制しつつ、鋼板に安定した幅や深さを持った線状の溝部又は線状の歪部を形成することができるレーザ加工装置の提供を目的とする。 The present invention has been made in consideration of the above-mentioned problems, and aims to provide a laser processing device that can form linear grooves or linear distortions with stable widths and depths in a steel plate while minimizing defocusing over the entire scanning area of the laser beam, using a simple device configuration, when a laser beam is irradiated onto a steel plate that is being passed through while being forced by support rolls.

上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、サポートロールに付勢されて通板される鋼板の表面を正円形状又は楕円形状のビームスポット径を有するレーザビームで走査することで、前記鋼板に線状の溝部又は線状の歪部を形成するレーザ加工装置であって、レーザビームを出射するレーザビーム出射部と、前記レーザビームを反射する走査ミラーと、前記走査ミラーで反射した前記レーザビームを反射し、前記ビームスポット径の短軸に相当する第1軸の方向に集光する短軸集光ミラーと、前記短軸集光ミラーで反射した前記レーザビームを反射し、前記鋼板の表面に照射する焦点位置調整ミラーと、を有し、前記走査ミラーは、前記レーザビームを反射する方向を変化させ、前記レーザビームが前記鋼板の表面に照射される位置を変化させることで、前記レーザビームで前記鋼板の表面を走査し、前記焦点位置調整ミラーは、前記レーザビームを、前記短軸集光ミラーの焦点距離から、前記レーザビームが前記短軸集光ミラーで反射する点と前記レーザビームが焦点位置調整ミラーで反射する点との間の距離を、引いて得られる距離である集光焦点距離と、前記レーザビームが前記焦点位置調整ミラーで反射する点からの距離とが、等しくなる鋼板の表面上の点に、集光させる曲率を有する、レーザ加工装置が提供される。 In order to solve the above problem, according to one aspect of the present invention, a laser processing device is provided that scans the surface of a steel sheet that is passed through a support roll with a laser beam having a circular or elliptical beam spot diameter to form a linear groove or linear distortion in the steel sheet, the device comprising: a laser beam emitting unit that emits a laser beam; a scanning mirror that reflects the laser beam; a short-axis focusing mirror that reflects the laser beam reflected by the scanning mirror and focuses the laser beam in the direction of a first axis corresponding to the short axis of the beam spot diameter; and a focus position adjustment mirror that reflects the laser beam reflected by the short-axis focusing mirror and irradiates the surface of the steel sheet. The scanning mirror changes the direction in which the laser beam is reflected, and changes the position at which the laser beam is irradiated on the surface of the steel plate, thereby scanning the surface of the steel plate with the laser beam, and the focus position adjustment mirror has a curvature that focuses the laser beam at a point on the surface of the steel plate where the focusing focal length, which is the distance obtained by subtracting the distance between the point at which the laser beam is reflected by the short axis focusing mirror and the point at which the laser beam is reflected by the focus position adjustment mirror, from the focal length of the short axis focusing mirror, is equal to the distance from the point at which the laser beam is reflected by the focus position adjustment mirror.

また、前記レーザ加工装置において、前記レーザビーム出射部から出射された前記レーザビームを反射し、前記ビームスポットの長軸に相当する第2軸の方向に集光する長軸集光ミラー(Mc)を有し、前記走査ミラー(Mp)は、前記長軸集光ミラー(Mc)で反射した前記レーザビームを反射する構成を採用できる。 The laser processing device may also have a long axis focusing mirror (Mc) that reflects the laser beam emitted from the laser beam emitting unit and focuses the laser beam in the direction of a second axis corresponding to the long axis of the beam spot, and the scanning mirror (Mp) may be configured to reflect the laser beam reflected by the long axis focusing mirror (Mc).

また、前記レーザ加工装置において、前記第1軸の方向から見た前記レーザビームの前記焦点位置調整ミラー(Ms)への入射する際の入射角で規定される、前記焦点位置調整ミラー(Ms)の曲率α2は、以下の(1)~(3)式で示される構成を採用できる。
なお、(S,Z)は、前記前記レーザビームが焦点位置調整ミラー(Ms)で反射する点(A2’)の前記第1軸に垂直な平面(S-Z平面)上の座標であり、
(S,Z)は、集光焦点距離(G3’)と、前記レーザビームが前記焦点位置調整ミラー(Ms)で反射する点(A2’)からの距離とが、等しくなる鋼板の表面上の点の前記第1軸に垂直な平面上の座標であり、
α1は、前記第1軸に垂直な平面において、前記レーザビームが前記焦点位置調整ミラー(Ms)へ入射する際の入射角であり、
βは、前記第2軸に垂直な平面において、前記レーザビームが前記焦点位置調整ミラー(Ms)へ入射する際の入射角であり、
θsoは、前記第1軸に垂直な平面において、前記レーザビームが前記焦点位置調整ミラー(Ms)の位置で曲率を持たない平面ミラー(M0)で反射した場合の反射角であり、θ’sは、前記第1軸に垂直な平面において、前記レーザビームが前記焦点位置調整ミラー(Ms)で反射する際の反射角である。
In addition, in the laser processing apparatus, the curvature α2 of the focus position adjustment mirror (Ms), which is defined by the angle of incidence of the laser beam when seen from the direction of the first axis onto the focus position adjustment mirror (Ms), can be configured as shown in the following equations (1) to (3).
In addition, (S 2 , Z 2 ) are the coordinates on a plane (SZ plane) perpendicular to the first axis of the point (A2′) at which the laser beam is reflected by the focal position adjustment mirror (Ms),
(S 4 , Z 4 ) are coordinates on a plane perpendicular to the first axis of a point on the surface of the steel plate where the focusing focal length (G3′) is equal to the distance from the point (A2′) where the laser beam is reflected by the focus position adjustment mirror (Ms);
α1 is the angle of incidence of the laser beam on the focal position adjustment mirror (Ms) in a plane perpendicular to the first axis,
β is the angle of incidence of the laser beam on the focal position adjustment mirror (Ms) in a plane perpendicular to the second axis,
θso is the reflection angle when the laser beam is reflected by a plane mirror (M0) having no curvature at the position of the focus position adjustment mirror (Ms) in a plane perpendicular to the first axis, and θ's is the reflection angle when the laser beam is reflected by the focus position adjustment mirror (Ms) in a plane perpendicular to the first axis.

Figure 0007617426000001
Figure 0007617426000001

Figure 0007617426000002
Figure 0007617426000002

Figure 0007617426000003
Figure 0007617426000003

また、前記レーザ加工装置において、前記短軸集光ミラー(ML)の反射面は線形放物面であることが好ましい。
また、前記レーザ加工装置において、前記走査ミラー(Mp)は、回転ポリゴンミラー又はガルバノミラーであることが好ましい。
In the laser processing device, it is preferable that the reflecting surface of the short axis focusing mirror (ML) is a linear paraboloid.
In the laser processing apparatus, the scanning mirror (Mp) is preferably a rotating polygon mirror or a galvanometer mirror.

本発明によれば、サポートロールに付勢されて通板される鋼板に、レーザビームを集光させながら走査して、線状の溝部又は線状の歪部を形成することができるので安定して線状の溝部又は線状の歪部の形成を行うことができる。 According to the present invention, a laser beam is focused and scanned on a steel sheet that is being passed through a support roll, forming linear grooves or linear distortions, so that linear grooves or linear distortions can be formed stably.

本発明の実施形態に係るレーザ加工装置を備えた加工システムの概要図である。1 is a schematic diagram of a processing system including a laser processing apparatus according to an embodiment of the present invention. 図1に示す加工システムに設けられるサポートロールとレーザビームの照射位置関係を示すもので、図2(A)はサポートロール上面と照射位置の関係を示す平面図、図2(B)はサポートロール側面と照射位置との関係を示す側面図、図2(C)はサポートロール頂点近傍のレーザビーム照射部の拡大図である。FIG. 2 shows the relationship between the support roll and the laser beam irradiation position provided in the processing system shown in FIG. 1, where FIG. 2(A) is a plan view showing the relationship between the top surface of the support roll and the irradiation position, FIG. 2(B) is a side view showing the relationship between the side surface of the support roll and the irradiation position, and FIG. 2(C) is an enlarged view of the laser beam irradiation area near the apex of the support roll. 参考例の加工システムにおける鋼板表面位置とレーザビームの照射位置との関係を示すもので、図3(A)はサポートロール頂点近傍の鋼板に対するレーザビーム照射部からポリゴンミラーまでの位置関係を示す側面図、図3(B)はサポートロール頂点近傍の鋼板に対するレーザビーム照射部の拡大図である。FIG. 3 shows the relationship between the steel plate surface position and the laser beam irradiation position in the processing system of the reference example, where FIG. 3(A) is a side view showing the positional relationship from the laser beam irradiation part for the steel plate near the apex of the support roll to the polygon mirror, and FIG. 3(B) is an enlarged view of the laser beam irradiation part for the steel plate near the apex of the support roll. 本発明の第1実施形態に係る加工システムにおける鋼板表面位置とレーザビームの照射位置との関係を示すもので、図4(A)はサポートロール頂点近傍の鋼板に対するレーザビーム照射部からポリゴンミラーまでの位置関係を示す側面図、図4(B)はサポートロール頂点近傍の鋼板に対するレーザビーム照射部の拡大図である。FIG. 4 shows the relationship between the steel plate surface position and the laser beam irradiation position in the processing system according to the first embodiment of the present invention, where FIG. 4(A) is a side view showing the positional relationship from the laser beam irradiation unit for the steel plate near the apex of the support roll to the polygon mirror, and FIG. 4(B) is an enlarged view of the laser beam irradiation unit for the steel plate near the apex of the support roll. 第1実施形態のポリゴンミラーが照射するレーザビームにおいて、反射角(θs)を10°とした場合、レーザビームの走査方向を含む座標面上においてレーザビームの焦点位置と鋼板表面との交点座標を求めた結果を示すグラフである。1 is a graph showing the results of determining the coordinates of the intersection between the focal position of the laser beam and the steel plate surface on a coordinate plane including the scanning direction of the laser beam when the reflection angle (θs) of the laser beam irradiated by the polygon mirror of the first embodiment is 10°. 第2ミラーにおける反射角を示すもので、図6(A)は第2ミラーの特殊反射曲面における仮想反射角θsを実効反射角θs’に変更する場合について示す説明図、図6(B)は第2ミラーからサポートロール上の鋼板表面に至るレーザビームの光路において仮想反射角θsから実効反射角θs’に変更する場合について示す説明図である。FIG. 6A shows the reflection angle at the second mirror, and is an explanatory diagram showing a case where the virtual reflection angle θs0 at the special reflection curved surface of the second mirror is changed to an effective reflection angle θs'. FIG. 6B is an explanatory diagram showing a case where the virtual reflection angle θs0 is changed to an effective reflection angle θs' in the optical path of the laser beam from the second mirror to the steel sheet surface on the support roll. 表1に示す条件において、第2ミラーの特殊反射曲面における仮想反射角θsを0~20°まで変更した場合、特殊反射曲面の法線のZ軸に対する傾斜角αと、走査方向に沿う位置との関係を示すグラフである。This is a graph showing the relationship between the inclination angle α1 of the normal to the special reflective surface of the second mirror with respect to the Z axis and the position along the scanning direction when the virtual reflection angle θs0 at the special reflective surface of the second mirror is changed from 0 to 20° under the conditions shown in Table 1. 第2ミラーに対し、第1ミラーから入射角βのレーザビームが入射された場合、第2ミラーから反射されるレーザビームの反射角度について示す説明図である。10 is an explanatory diagram showing the reflection angle of a laser beam reflected from a second mirror when a laser beam is incident from a first mirror to the second mirror at an incident angle β. FIG. 走査ミラーとして適用可能なガルバノミラーの一例を示す斜視図である。FIG. 1 is a perspective view showing an example of a galvanometer mirror that can be used as a scanning mirror.

以下に、図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について説明する。
なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大する等、強調して示している場合がある。
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
In the drawings used in the following description, characteristic parts may be enlarged or otherwise emphasized for ease of understanding.

まず、本実施形態において加工する対象物である方向性電磁鋼板の概要について説明する。
<方向性電磁鋼板の概要>
典型的な方向性電磁鋼板は、鋼板の結晶粒の磁化容易軸(体心立方晶の<100>方向)が、鋼板の圧延方向に略揃っている電磁鋼板である。方向性電磁鋼板は、圧延方向に向いた磁極を有する磁区が、磁壁を挟んで複数配列した構造を有する。このような方向性電磁鋼板は圧延方向に磁化しやすいため、磁力線の方向がほぼ一定に流れるトランス(変圧器)の鉄芯の材料に適している。
First, an overview of the grain-oriented electrical steel sheet, which is the object to be processed in this embodiment, will be described.
<Outline of Grain-Oriented Electrical Steel Sheets>
A typical grain-oriented electrical steel sheet is an electrical steel sheet in which the magnetization easy axis (body-centered cubic <100> direction) of the crystal grains of the steel sheet is approximately aligned in the rolling direction of the steel sheet. Grain-oriented electrical steel sheets have a structure in which multiple magnetic domains, each with a magnetic pole facing the rolling direction, are arranged with a magnetic domain wall between them. Since such grain-oriented electrical steel sheets are easily magnetized in the rolling direction, they are suitable as materials for the iron core of transformers in which the magnetic lines of force flow in an approximately constant direction.

トランスは、通常、積みトランスと巻きトランスとに大別される。方向性電磁鋼板は、鋼板を多層に巻いたうえで、鉄芯の形状(例えば、中空部を有する四角柱状)となるように成型することで製造される巻きトランスの鉄芯の材料として好適に利用される。
方向性電磁鋼板は、例えば、鋼板本体(地鉄)と、鋼板本体の表裏両面に形成されたグラス被膜と、グラス被膜上に形成された絶縁被膜とを有する。鋼板本体は、例えばSiを含有する鉄合金で構成されている。
Transformers are generally classified into stacked transformers and wound transformers. Grain-oriented electrical steel sheets are preferably used as materials for the iron core of wound transformers, which are manufactured by winding steel sheets in multiple layers and then forming them into the shape of an iron core (for example, a rectangular column shape having a hollow portion).
The grain-oriented electrical steel sheet has, for example, a steel sheet body (base steel), glass coatings formed on both sides of the steel sheet body, and an insulating coating formed on the glass coating. The steel sheet body is made of, for example, an iron alloy containing Si.

方向性電磁鋼板は、鉄損を低減させるために(即ち、磁区制御のために)、レーザビームが鋼板の表面に照射され、鋼板の圧延方向(即ち、製造時の搬送方向、鋼板の板長方向)と交差する方向に走査されることで、鋼板の圧延方向と交差する方向に延在する線状の溝部又は線状の歪部が形成される。これらの溝部又は歪部は、方向性電磁鋼板の表面に、圧延方向に向かって所定の間隔で複数形成される。
本実施形態では、方向性電磁鋼板の磁区制御のために、方向性電磁鋼板の表面にレーザビームを直線状に走査照射し、線状の溝部又は線状の歪部を一定間隔で形成する場合について説明する。なお、以下の説明では、方向性電磁鋼板を単に鋼板と表記して説明することがある。
In order to reduce iron loss (i.e., for magnetic domain control), a laser beam is irradiated onto the surface of the steel sheet and scanned in a direction intersecting the rolling direction of the steel sheet (i.e., the conveying direction during production, the sheet length direction of the steel sheet), thereby forming linear grooves or linear distortions extending in a direction intersecting the rolling direction of the steel sheet. A plurality of these grooves or distortions are formed at predetermined intervals in the rolling direction on the surface of the grain-oriented electrical steel sheet.
In this embodiment, a laser beam is linearly scanned and irradiated onto the surface of the grain-oriented electrical steel sheet to form linear grooves or linear distortion portions at regular intervals in order to control the magnetic domains of the grain-oriented electrical steel sheet. In the following description, the grain-oriented electrical steel sheet may be referred to simply as steel sheet.

図1は、本発明の一実施形態に係るレーザ加工装置1を備えた加工システムの概要図である。
本実施形態において、レーザ加工装置1は、レーザビーム出射部LL、長軸集光ミラーMc、平面ミラーMF、走査ミラーMp、短軸集光ミラーML、焦点位置調整ミラーMsを有している。
レーザ加工装置1は、サポートロールに付勢されて通板される鋼板ESの表面を正円形状又は楕円形状のビームスポット径を有するレーザビームLBで走査することで、鋼板ESに線状の溝部又は線状の歪部を形成する装置である。
即ち、レーザ加工装置1は、例えば、電磁鋼板の磁区制御のために、レーザービームLBを電磁鋼板の表面に照射し、レーザビームLBを電磁鋼板の圧延方向と交差する方向に向けて走査することで、電磁鋼板の表面に線状の溝部を形成したり、電磁鋼板の表面に線状の歪部を形成することができる。
レーザビーム出射部LLは、公知のレーザ光源LMと、伝送ファイバ4と、出射器7とを有しており、レーザ光源LMでレーザビームLBを発振して出力し、出力されたレーザビームLBを、光ファイバ等で構成された伝送ファイバ4を介して伝送し、出射器7から大気中へと照射する。レーザ出射部LLから出射されたレーザビームLBは、後述する長軸集光ミラーMcに向けて照射される。
FIG. 1 is a schematic diagram of a processing system including a laser processing device 1 according to an embodiment of the present invention.
In this embodiment, the laser processing apparatus 1 has a laser beam emitting section LL, a long axis collecting mirror Mc, a plane mirror MF, a scanning mirror Mp, a short axis collecting mirror ML, and a focal position adjustment mirror Ms.
The laser processing apparatus 1 is an apparatus that forms linear grooves or linear distortions in the steel sheet ES by scanning the surface of the steel sheet ES, which is forced against a support roll and passed through, with a laser beam LB having a circular or elliptical beam spot diameter.
That is, the laser processing apparatus 1 can, for example, form linear grooves on the surface of the electromagnetic steel sheet or form linear distorted portions on the surface of the electromagnetic steel sheet by irradiating the surface of the electromagnetic steel sheet with a laser beam LB and scanning the laser beam LB in a direction intersecting the rolling direction of the electromagnetic steel sheet in order to control the magnetic domains of the electromagnetic steel sheet.
The laser beam emitting unit LL has a known laser light source LM, a transmission fiber 4, and an emitter 7, and the laser light source LM oscillates and outputs a laser beam LB, which is transmitted via the transmission fiber 4 made of an optical fiber or the like and irradiated into the atmosphere from the emitter 7. The laser beam LB emitted from the laser emitting unit LL is irradiated toward a long axis focusing mirror Mc, which will be described later.

レーザ光源LMは、狭い溝を形成できる観点等から、微小な集光特性に優れたファイバレーザ又はディスクレーザを用いることが好ましいが、ファイバレーザ又はディスクレーザでなくても、公知の種々なレーザ光源を選択することができ、例えば、連続波レーザやパルスレーザを用いるようにしてもよい。ファイバレーザ又はディスクレーザの波長は、近紫外域から近赤外域(例えば1μm帯)にあり、レーザビームLBを光ファイバにより高効率で伝送が可能であるため、レーザビームを光ファイバからなる伝送ファイバ4を用いて伝送することで、レーザ加工装置1を比較的コンパクトな構成で実現することができる。 The laser light source LM is preferably a fiber laser or disk laser with excellent micro-focusing characteristics, from the viewpoint of being able to form narrow grooves, but various known laser light sources can be selected instead of a fiber laser or disk laser, for example, a continuous wave laser or a pulsed laser can be used. The wavelength of a fiber laser or disk laser is in the near ultraviolet to near infrared range (e.g., 1 μm band), and the laser beam LB can be transmitted with high efficiency by optical fiber. Therefore, by transmitting the laser beam using a transmission fiber 4 made of optical fiber, the laser processing device 1 can be realized with a relatively compact configuration.

レーザビームLBは、高いエネルギーを有しており、鋼板に照射されることで、鋼板を飛散させることで溝部を形成したり、鋼板に熱歪を与え歪部を形成したりすることができる。レーザビームLBは、出射器7から大気中に出射された時点で、既に正円形状又は楕円形状のビームスポットを有しており、後述する種々のミラー等(長軸集光ミラーMc、平面ミラーMF、走査ミラーMp、短軸集光ミラーML、焦点位置調整ミラーMs等)で反射された後、鋼板ESへと照射されるが、鋼板ESに当たる直前においても、(出射器7から出射された時点とは大きさや形状が異なる場合が多いが、)正円形状又は楕円形状のビームスポットを有することになる。
そのため、鋼板ESに当たる直前のビームスポットの形状が楕円形状である場合には、中心を通り直交する短軸及び長軸の方向を規定することができる。そして、本実施形態におけるレーザ加工装置1は、レーザビームLBの鋼板ESに当たる直前のビームスポットの形状の長軸の方向に、レーザビームLBを走査することになる。
The laser beam LB has high energy, and when it is irradiated to a steel sheet, it can scatter the steel sheet to form grooves or apply thermal distortion to the steel sheet to form distorted parts. The laser beam LB already has a circular or elliptical beam spot when it is emitted from the emitter 7 into the atmosphere, and is reflected by various mirrors (long axis focusing mirror Mc, flat mirror MF, scanning mirror Mp, short axis focusing mirror ML, focal position adjustment mirror Ms, etc.) described later and then irradiated to the steel sheet ES. Even just before hitting the steel sheet ES, the laser beam LB has a circular or elliptical beam spot (although the size and shape are often different from when it was emitted from the emitter 7).
Therefore, when the shape of the beam spot immediately before it hits the steel sheet ES is elliptical, the directions of the minor and major axes that pass through the center and intersect at right angles can be specified. Then, the laser processing device 1 in this embodiment scans the laser beam LB in the direction of the major axis of the shape of the beam spot immediately before it hits the steel sheet ES.

一方、鋼板ESに当たる直前のビームスポットの形状が正円形状である場合には、軸毎に短長の区別がないので、中心を通り直交する任意の2軸を、短軸及び長軸と見なすことができる。そして、本実施形態におけるレーザ加工装置1は、レーザビームLBの鋼板ESに当たる直前のビームスポットの形状の長軸の方向に、レーザビームLBを走査することになる。 On the other hand, if the shape of the beam spot immediately before it hits the steel plate ES is a perfect circle, there is no distinction between short and long axes, so any two axes that pass through the center and intersect at right angles can be considered as the short axis and long axis. In this embodiment, the laser processing device 1 scans the laser beam LB in the direction of the long axis of the shape of the beam spot immediately before it hits the steel plate ES.

このように、レーザ加工装置1がレーザビームLBを走査する方向は、(ビームスポットが正円形状か楕円形状かによらず)ビームスポットの長軸方向に対応する方向であるため、以下では、このビームスポットの長軸方向に対応する方向を、第2軸と称し、第2軸に直交するビームスポットの短軸方向に対応する方向を、第1軸と称するものとする。
なお、第2軸に平行な方向をS方向と称し、サポートロールSRの頂点部分の鋼板ESの表面を通り、第2軸に平行な(即ちS方向に平行な)直線をS軸と称する。
レーザ加工装置1は、図示を略した回転調整装置によって、レーザビームLBの走査方向がS方向となるように、設定可能な構成とされている。
In this way, the direction in which the laser processing apparatus 1 scans the laser beam LB is the direction corresponding to the long axis direction of the beam spot (regardless of whether the beam spot is circular or elliptical), so in the following, the direction corresponding to the long axis direction of the beam spot will be referred to as the second axis, and the direction corresponding to the short axis direction of the beam spot perpendicular to the second axis will be referred to as the first axis.
The direction parallel to the second axis is referred to as the S direction, and the straight line that passes through the surface of the steel sheet ES at the apex of the support roll SR and is parallel to the second axis (i.e., parallel to the S direction) is referred to as the S axis.
The laser processing device 1 is configured so that the scanning direction of the laser beam LB can be set to the S direction by a rotation adjustment device (not shown).

鋼板ESは、軸制御の対象となる電磁鋼板であり、帯状に冷間圧延され、搬送装置の一部を構成するサポートロールSRに付勢されて通板される。即ち、鋼板ESは、搬送装置から張力を受けることで、サポートロールSRのなす曲面の頂点付近において、サポートロールSRの上側面に密着するように押し付けられ、サポートロールSRに沿って上に凸の山型に湾曲されて通板される。そのため、サポートロールSRの頂点付近では鋼板ESが拘束されるため、鋼板ESには振動が生じづらくなっている。 The steel sheet ES is an electromagnetic steel sheet that is the subject of axial control; it is cold-rolled into a strip shape and forced through the support roll SR, which constitutes part of the conveying device. That is, the steel sheet ES is subjected to tension from the conveying device, and is pressed against the upper side of the support roll SR near the apex of the curved surface of the support roll SR so that it is in close contact with the upper side of the support roll SR, and is curved into an upwardly convex mountain shape and passed along the support roll SR. As a result, the steel sheet ES is restrained near the apex of the support roll SR, making it less likely to vibrate.

図1は、一例として、サポートロールSRの上面側に沿って鋼板ESが緩い傾斜を有する山型に湾曲されつつ通板されている状態を描いている。
本実施形態では、サポートロールSRの頂点近傍の鋼板ESの表面に対し、レーザビームLBを、種々のミラーを介して数10μmレベルの微小な楕円形状のビームスポットBSに絞りつつ照射し、レーザビームLBを第2軸の方向に走査することで、鋼板ESの表面に線状の溝部又は線状の歪部を形成する。ビームスポット径は数10μm程度であるが、図1では例示のために、ビームスポットBSを拡大表示している。
FIG. 1 illustrates, as an example, a state in which a steel sheet ES is being passed along the upper surface side of a support roll SR while being curved into a gently inclined mountain shape.
In this embodiment, a laser beam LB is irradiated onto the surface of the steel sheet ES near the apex of the support roll SR while being narrowed down to a minute elliptical beam spot BS of several tens of μm level via various mirrors, and the laser beam LB is scanned in the direction of the second axis to form a linear groove portion or a linear distortion portion on the surface of the steel sheet ES. The beam spot diameter is about several tens of μm, but in FIG. 1, the beam spot BS is enlarged for illustrative purposes.

図1に示す実施形態において、サポートロールSRは回転軸が水平となるように設置され、帯状の鋼板ESは、その圧延方向をサポートロールSRの回転軸の方向と直交する方向に向けて通板される。鋼板ESはその幅方向をサポートロールSRの回転軸の方向に一致させた状態で通板される。
図1に示すように、本発明では、便宜的に、サポートロールSRの頂点部分に位置する鋼板ESの幅方向をX方向と規定し、X方向に直交する方向であり、電磁鋼板ESの長さ方向に沿う方向をY方向と規定する。また、X方向とY方向に直交し、後述する焦点位置調整ミラーMsの反射位置の中心とサポートロールSRの頂点部分に位置する鋼板ESとを結ぶ直線の方向をZ方向と規定する。そのため、サポートロールSRを回転軸が水平となるように配置し、レーザビームLBが、焦点位置調整ミラーMsから鋼板ESに向けて鉛直方向に照射される構成とした場合には、Z方向は高さ方向(鉛直方向)を意味している。
In the embodiment shown in Fig. 1, the support rolls SR are installed so that their rotation axes are horizontal, and the strip-shaped steel sheet ES is passed through with its rolling direction perpendicular to the direction of the rotation axes of the support rolls SR. The steel sheet ES is passed through with its width direction aligned with the direction of the rotation axes of the support rolls SR.
As shown in Fig. 1, in the present invention, for the sake of convenience, the width direction of the steel sheet ES located at the apex of the support roll SR is defined as the X direction, and the direction perpendicular to the X direction and along the length direction of the electromagnetic steel sheet ES is defined as the Y direction. In addition, the direction of a straight line perpendicular to the X direction and connecting the center of the reflection position of the focus position adjustment mirror Ms described later and the steel sheet ES located at the apex of the support roll SR is defined as the Z direction. Therefore, when the support roll SR is arranged so that the rotation axis is horizontal and the laser beam LB is irradiated vertically from the focus position adjustment mirror Ms toward the steel sheet ES, the Z direction means the height direction (vertical direction).

長軸集光ミラーMcは、レーザビーム出射部LLから出射されたレーザビームLBを反射し、鋼板ESに照射される直前のビームスポットの長軸に相当する第2軸の方向に集光するミラーである。従って、レーザビームLBの第2軸の方向の成分は、(光路上のミラーの存在によらず)長軸集光ミラーMcから等距離にある点で焦点を結ぶ。長軸集光ミラーMcで反射されたレーザビームLBは、後述する平面ミラーMFへと向かう。
平面ミラーMFは、長軸集光ミラーMcで反射されたレーザビームLBを反射し、進行方向を変えるミラーである。平面ミラーMFは、レーザビームLBを集光する機能を有していなくてもよい。平面ミラーMFで反射されたレーザビームLBは、後述する走査ミラーMpへと向かう。
The long axis focusing mirror Mc is a mirror that reflects the laser beam LB emitted from the laser beam emission part LL and focuses the laser beam in the direction of the second axis, which corresponds to the long axis of the beam spot immediately before it is irradiated onto the steel sheet ES. Therefore, the component of the laser beam LB in the direction of the second axis is focused at a point equidistant from the long axis focusing mirror Mc (regardless of the presence of a mirror on the optical path). The laser beam LB reflected by the long axis focusing mirror Mc travels to the plane mirror MF, which will be described later.
The plane mirror MF reflects the laser beam LB reflected by the long axis focusing mirror Mc and changes the traveling direction. The plane mirror MF does not have to have the function of focusing the laser beam LB. The laser beam LB reflected by the plane mirror MF travels to a scanning mirror Mp, which will be described later.

走査ミラーMpは、平面ミラーMFで反射したレーザビームLBを反射するミラーであり、言い換えれば、長軸集光ミラーMcで反射し(更に、平面ミラーMFでも反射した)レーザビームLBを反射するミラーでもある。走査ミラーMpは、レーザビームLBを反射する方向を変化させ、レーザビームLBが鋼板ESの表面に照射される位置を変化させることで、レーザビームLBで前記鋼板の表面を走査する機能を有している。
そのため、より具体的には、走査ミラーMpは、ポリゴンミラーやガルバノミラー等により実現され、レーザビームLBの照射に合わせて、時々刻々、ポリゴンミラーを回転させたり、ガルバノミラーの角度を変化させることで、レーザビームLBが照射される方向を変化させる。走査ミラーMpで反射されたレーザビームLBは、後述する短軸集光ミラーMLへと向かう。
The scanning mirror Mp is a mirror that reflects the laser beam LB reflected by the plane mirror MF, in other words, it is also a mirror that reflects the laser beam LB reflected by the long axis focusing mirror Mc (and further reflected by the plane mirror MF). The scanning mirror Mp has a function of changing the direction in which the laser beam LB is reflected and changing the position at which the laser beam LB is irradiated on the surface of the steel sheet ES, thereby scanning the surface of the steel sheet ES with the laser beam LB.
Therefore, more specifically, the scanning mirror Mp is realized by a polygon mirror, a galvanometer mirror, or the like, and the direction in which the laser beam LB is irradiated is changed by rotating the polygon mirror or changing the angle of the galvanometer mirror from time to time in accordance with the irradiation of the laser beam LB. The laser beam LB reflected by the scanning mirror Mp travels toward a short-axis focusing mirror ML, which will be described later.

短軸集光ミラーMLは、走査ミラーMpで反射したレーザビームLBを反射し、鋼板ESに照射される直前のビームスポットの短軸に相当する第1軸の方向に集光するミラーである。従って、レーザビームLBの第1軸の方向の成分は、(光路上のミラーの存在によらず)短軸集光ミラーMLから等距離にある点で焦点を結ぶ。短軸集光ミラーMLで反射されたレーザビームLBは、後述する焦点位置調整ミラーMsへと向かう。
焦点位置調整ミラーMsは、短軸集光ミラーMLで反射したレーザビームLBを反射し、鋼板ESの表面に照射するミラーである。レーザビームLBは、走査ミラーMpによって、反射される方向が時間で変化するようになっており、焦点位置調整ミラーMsは、入射位置が変化したレーザビームLBを、鋼板ESに向けて反射するので、レーザビームLBが照射される鋼板ESの表面の位置は、時間によって変化することになる。その結果、レーザビームLBで、鋼板ESの表面を走査することができる。
The short-axis focusing mirror ML is a mirror that reflects the laser beam LB reflected by the scanning mirror Mp and focuses the laser beam in the direction of the first axis, which corresponds to the short axis of the beam spot immediately before it is irradiated onto the steel sheet ES. Therefore, the component of the laser beam LB in the direction of the first axis is focused at a point equidistant from the short-axis focusing mirror ML (regardless of the presence of a mirror on the optical path). The laser beam LB reflected by the short-axis focusing mirror ML travels toward the focus position adjustment mirror Ms, which will be described later.
The focal position adjustment mirror Ms is a mirror that reflects the laser beam LB reflected by the short axis focusing mirror ML and irradiates the surface of the steel sheet ES. The direction in which the laser beam LB is reflected by the scanning mirror Mp changes over time, and the focal position adjustment mirror Ms reflects the laser beam LB, whose incident position has changed, toward the steel sheet ES, so that the position on the surface of the steel sheet ES where the laser beam LB is irradiated changes over time. As a result, the surface of the steel sheet ES can be scanned with the laser beam LB.

焦点位置調整ミラーMsは、レーザビームLBを、短軸集光ミラーMLの焦点距離F_0から、レーザビームLBが短軸集光ミラーMLで反射する点(A1’)とレーザビームLBが焦点位置調整ミラーMsで反射する点(A2’)との間の距離を、引いて得られる距離である集光焦点距離(G3’)と、レーザビームLBが焦点位置調整ミラーMsで反射する点(A2’)からの距離とが、等しくなる鋼板の表面上の点に、集光させる曲率を有している(図4参照)。 The focal position adjustment mirror Ms has a curvature that focuses the laser beam LB at a point on the surface of the steel plate where the focusing focal length (G3') obtained by subtracting the distance between the point (A1') where the laser beam LB is reflected by the short axis focusing mirror ML and the point (A2') where the laser beam LB is reflected by the focus position adjustment mirror Ms from the focal length F_0 of the short axis focusing mirror ML is equal to the distance from the point (A2') where the laser beam LB is reflected by the focus position adjustment mirror Ms (see Figure 4).

レーザビームLBで線状の溝部又は線状の歪部を形成する場合、レーザビームLBのエネルギー密度を高めるために集光する必要があるが、特に、第1軸方向の集光が、線状の溝部又は線状の歪部の加工性に影響を及ぼす。
そのため、鋼板ESの表面において、第1軸方向の集光がなされることが必要となるが、焦点調整ミラーMsの代わりに曲率を有さない平面ミラーM0が用いられたとすると、第1軸の集光がなされるのは、サポートロールSRの頂点部分に位置する鋼板ESの表面を通るZ方向に垂直な平面に対する、線状の溝部又は線状の歪部の射影線上の点(サポートロールSRの頂点部分に位置する鋼板ESの表面を通るS軸上の点)となり、湾曲して搬送される鋼板ESの表面から外れてしまい、鋼板ESの表面には集光できない。
そこで、焦点位置調整ミラーMsを用いることで、レーザビームLBの方向を変え、鋼板ESの表面から外れてしまう焦点を、鋼板上の位置に合致させることができる。その結果、安定して線状の溝部又は線状の歪部の形成を行うことができるようになる。
When forming a linear groove or a linear distortion portion using the laser beam LB, it is necessary to focus the laser beam LB in order to increase the energy density of the laser beam LB. In particular, focusing the laser beam in the first axial direction affects the processability of the linear groove or linear distortion portion.
Therefore, it is necessary to focus the light in the first axial direction on the surface of the steel plate ES, but if a flat mirror M0 without curvature is used instead of the focus adjustment mirror Ms, the light in the first axis will be focused at a point on the projection line of the linear groove portion or linear distortion portion onto a plane perpendicular to the Z direction passing through the surface of the steel plate ES located at the apex of the support roll SR (a point on the S axis passing through the surface of the steel plate ES located at the apex of the support roll SR), which will deviate from the surface of the steel plate ES which is curved as it is transported, and the light cannot be focused on the surface of the steel plate ES.
Therefore, by using the focal position adjustment mirror Ms, the direction of the laser beam LB can be changed so that the focal point, which would otherwise deviate from the surface of the steel sheet ES, can be aligned with a position on the steel sheet ES. As a result, linear grooves or linear distortions can be stably formed.

次に、図1を用いて、本実施形態におけるレーザ加工装置1の各構成の関係や、レーザビームLBの動き等について説明する。
図1に示す実施形態では、走査ミラーMpの例としてポリゴンミラーを用いた場合を示しており、回転軸2を水平向きとした回転式のポリゴンミラーが、サポートロールSRの回転軸の方向の中央部上方に配置されている。
ポリゴンミラーは、図1に示すように、回転軸2の方向から側面視した場合に正多角形状をした、扁平な正多角柱状である。ポリゴンミラーは、水平方向に延びた回転軸2を有しており、当該回転軸2周りに回転する。
ポリゴンミラーの外周面は、(ポリゴンミラーの正多角形状の各面をなす)複数の長方形状の反射面3と、これら反射面3同士がなす角部5により形成されている。各反射面3は鏡が貼られた平面状の面である。反射面3の数(角部5の数)をNとすると、ポリゴンミラーは正N角柱状である。なお、図1に示す実施形態において、ポリゴンミラーは正十二角柱状であり、N(反射面3の数)は12である。
ポリゴンミラーを回転軸2周りに回転させることで、12の反射面3のうち特定の反射面3を、平面ミラーMF及び短軸集光ミラーMLに順番に対向させることができる。
Next, the relationship between the components of the laser processing device 1 in this embodiment, the movement of the laser beam LB, and the like will be described with reference to FIG.
In the embodiment shown in Figure 1, a polygon mirror is used as an example of the scanning mirror Mp, and a rotating polygon mirror with its rotation axis 2 oriented horizontally is disposed above the center of the support roll SR in the direction of the rotation axis.
1, the polygon mirror has a flattened regular polygonal prism shape when viewed from the side from the direction of a rotation axis 2. The polygon mirror has a rotation axis 2 extending in the horizontal direction and rotates around the rotation axis 2.
The outer peripheral surface of the polygon mirror is formed by a plurality of rectangular reflective surfaces 3 (which form each face of the regular polygonal shape of the polygon mirror) and corners 5 formed by these reflective surfaces 3. Each reflective surface 3 is a flat surface to which a mirror is attached. If the number of reflective surfaces 3 (the number of corners 5) is N, then the polygon mirror has a regular N-sided polygonal prism shape. In the embodiment shown in FIG. 1, the polygon mirror has a regular dodecagonal prism shape, and N (the number of reflective surfaces 3) is 12.
By rotating the polygon mirror around the rotation axis 2, specific reflecting surfaces 3 out of the 12 reflecting surfaces 3 can be made to face the plane mirror MF and the short-axis collector mirror ML in sequence.

本実施形態では、図1に示すポリゴンミラーの左手前側(-X方向側)に上下に位置するように、長軸集光ミラーMcと平面ミラーMFが設置されている。長軸集光ミラーMcはその反射面6をポリゴンミラーと対向するように、斜め下向きとして配置され、平面ミラーMFはその反射面8をポリゴンミラーの側面側に向けて斜め上向きに配置されている。 In this embodiment, the long axis focusing mirror Mc and the plane mirror MF are installed on the front left side (-X direction side) of the polygon mirror shown in Figure 1, one above the other. The long axis focusing mirror Mc is placed with its reflective surface 6 facing diagonally downward so as to face the polygon mirror, and the plane mirror MF is placed with its reflective surface 8 facing diagonally upward, toward the side of the polygon mirror.

図1に示すように、長軸集光ミラーMcの反射面6に対し、手前側に横向きにレーザビーム出射部LLの出射器7が配置されている。 As shown in FIG. 1, the emitter 7 of the laser beam emission unit LL is arranged horizontally in front of the reflecting surface 6 of the long axis focusing mirror Mc.

レーザビームLBは、レーザビーム出射部LLの出射器7から照射され、長軸集光ミラーMcの反射面6で反射される。長軸集光ミラーMcの反射面6により下向きに反射されたレーザビームLBは、下方の平面ミラーMFの反射面8に入射される。平面ミラーMFの反射面8に入射されたレーザビームLBは、再度反射され、ポリゴンミラーMpの12個の反射面3のうち、1つの反射面3に入射される。
なお、長軸集光ミラーMcと平面ミラーMFの配置は、図1の例に限るものではなく、ポリゴンミラーの反射面3にレーザビームLBを入射できる配置であれば、いずれの配置を採用しても良い。例えば、長軸集光ミラーMcと平面ミラーMFの配置は、左右方向の配置でも良く、斜め上下方向又は斜め左右方向の配置でも良い。
The laser beam LB is emitted from an emitter 7 of the laser beam emission unit LL and is reflected by the reflecting surface 6 of the long axis collecting mirror Mc. The laser beam LB reflected downward by the reflecting surface 6 of the long axis collecting mirror Mc is incident on the reflecting surface 8 of the plane mirror MF below. The laser beam LB incident on the reflecting surface 8 of the plane mirror MF is reflected again and incident on one of the twelve reflecting surfaces 3 of the polygon mirror Mp.
The arrangement of the long axis collector mirror Mc and the plane mirror MF is not limited to the example in Fig. 1, and any arrangement may be adopted as long as the laser beam LB can be incident on the reflection surface 3 of the polygon mirror. For example, the long axis collector mirror Mc and the plane mirror MF may be arranged in the left-right direction, or in the diagonal up-down direction or diagonal left-right direction.

ポリゴンミラーの反射面3はレーザビームLBを受けると、ポリゴンミラーの斜め下方に設置されている短軸集光ミラーMLの反射面9に向けてレーザビームLBを反射する。
焦点位置調整ミラーMsは、図1に示すように、短軸集光ミラーMLの近傍であって左側方に設置されており、短軸集光ミラーMLの反射面9は、図1の左方向に位置する焦点位置調整ミラーMsの特殊反射曲面10に向けてレーザビームLBを反射する。焦点位置調整ミラーMsの特殊反射曲面10はレーザビームLBを受けると、サポートロールSRの頂点部分に位置する鋼板ESの表面に向けてレーザビームLBを反射する。
When the reflecting surface 3 of the polygon mirror receives the laser beam LB, it reflects the laser beam LB toward a reflecting surface 9 of a minor axis collector mirror ML disposed obliquely below the polygon mirror.
As shown in Fig. 1, the focal position adjustment mirror Ms is installed near the short axis collector mirror ML on the left side, and the reflection surface 9 of the short axis collector mirror ML reflects the laser beam LB toward the special reflection curved surface 10 of the focal position adjustment mirror Ms located on the left side of Fig. 1. When the special reflection curved surface 10 of the focal position adjustment mirror Ms receives the laser beam LB, it reflects the laser beam LB toward the surface of the steel sheet ES located at the apex portion of the support roll SR.

本実施形態では、図1に示すように、レーザビームLBを、鋼板ESの表面に正円形状又は楕円形状のレーザスポットBSが形成されるように集光する。そして、このレーザビームLBで、X方向に対して約10°の走査角(θc)で傾斜するS方向に、鋼板ESを直線状に走査し、鋼板ESの表面にS方向に沿う線状の溝部又は歪部を形成する。
約10°程度の走査角で鋼板ESに溝部又は歪部を形成するのは、上述したように、鋼板ESを用いて巻きトランスの鉄芯を製造する場合に、溝部を形成することで方向性電磁鋼板の磁気特性を良好なものとしながら、鋼板ESの破断を防止するためである。なお、走査角は10°以下のより小さな角度でも良いが、走査角が0°に近くなると鉄芯の製造時に破断発生の原因となることが考えられるので、0°に近い角度は避けることが望ましい。
In this embodiment, as shown in Fig. 1, the laser beam LB is focused so as to form a circular or elliptical laser spot BS on the surface of the steel sheet ES. Then, the steel sheet ES is linearly scanned with this laser beam LB in the S direction inclined at a scanning angle (θc) of about 10° with respect to the X direction, to form a linear groove or distortion portion along the S direction on the surface of the steel sheet ES.
The reason why grooves or distortions are formed in the steel sheet ES at a scan angle of about 10° is that, as described above, when the steel sheet ES is used to manufacture an iron core for a wound transformer, the grooves improve the magnetic properties of the grain-oriented electromagnetic steel sheet while preventing breakage of the steel sheet ES. Note that the scan angle may be smaller than 10°, but since a scan angle approaching 0° may cause breakage during the manufacture of the iron core, it is desirable to avoid angles approaching 0°.

鋼板ESに照射される直前のビームスポット径は数10μm程度であるが、図1はビームスポットBSを拡大して表示している。レーザビームLBは、ビームスポットBSの第2軸に沿って(即ち、S方向に沿って)走査される。
なお、レーザビームLBを、ビームスポットBSの第2軸の方向に走査する場合、レーザビームLBの第1軸を正確に集光することで、鋼板ESの表面に形成する溝部又は歪部の幅を正確に加工できる。
レーザスポットBSの第1軸方向の集光を短軸集光ミラーMLで行い、レーザスポットBSの第2軸方向の集光を長軸集光ミラーMcで行うことができる。レーザスポットBSの長軸方向の集光は多少の変動があっても、鋼板ESに形成する溝部又は歪部の精度に影響は少ない。
The diameter of the beam spot immediately before being irradiated onto the steel sheet ES is about several tens of μm, but the beam spot BS is shown enlarged in Fig. 1. The laser beam LB is scanned along the second axis of the beam spot BS (i.e., along the S direction).
Furthermore, when the laser beam LB is scanned in the direction of the second axis of the beam spot BS, the width of the groove or distorted portion to be formed on the surface of the steel plate ES can be accurately processed by accurately focusing the first axis of the laser beam LB.
The laser spot BS can be focused in the first axis direction by the short axis focusing mirror ML, and the laser spot BS can be focused in the second axis direction by the long axis focusing mirror Mc. Even if the focusing of the laser spot BS in the long axis direction varies slightly, it has little effect on the accuracy of the groove or distortion formed in the steel sheet ES.

例えば、ビームスポットBSにおいて、第2軸方向の集光径は第1軸方向の集光径に比べて大きく、鋼板ESの溝加工では、一般的に、第2軸の径を第1軸の径の5~10倍程度とすることがある。従って、焦点位置調整ミラーMsの集光焦点距離は、短軸集光ミラーMLの集光焦点距離の5~10倍となり、加工可能な焦点深度も同程度長くなる。このため、レーザスポットBSの長軸側の焦点ボケが多少生じたとして、加工性への影響は少なくなる。 For example, in the beam spot BS, the focused diameter in the second axis direction is larger than the focused diameter in the first axis direction, and in groove machining of steel plate ES, the diameter of the second axis is generally about 5 to 10 times the diameter of the first axis. Therefore, the focusing focal length of the focus position adjustment mirror Ms is 5 to 10 times that of the short axis focusing mirror ML, and the processable focal depth is also approximately the same. For this reason, even if some defocusing occurs on the long axis side of the laser spot BS, the impact on processability is small.

短軸集光ミラーMLは、S方向と平行な方向に細長い5面体状の本体部11に形成されていて、この本体部11は5つの側面11aと2つの端面11bを有する。本体部11は長さ方向をS方向と平行に向け、2つの端面11bをS方向と平行な方向に向けるように配置されている。
この本体部11の5つの側面11aの内、1つの側面11aに短軸用線形放物面からなる反射面9が形成されている。図1に示すように反射面9は、反射面9の斜め上方に設置されているポリゴンミラーと反射面9の左側方に配置されている焦点位置調整ミラーMsの両方に向き合うような傾斜を有する反射面である。また、反射面9は、本体部11の横断面を見た場合、反射面9の輪郭が放物線を描く反射面であり、本体部11の長さ方向に沿って一端側から他端側まで反射面9は同じ輪郭形状が維持されている。即ち、反射面9は本体部11の長さ方向一端側から他端側まで同一形状の線形放物面に形成されている。
また、反射面9は入射されるレーザビームLBの第1軸の方向を集光する線形放物面からなる。
The short-axis collector mirror ML is formed in a pentahedral body 11 that is elongated in a direction parallel to the S direction, and the body 11 has five side faces 11a and two end faces 11b. The body 11 is disposed so that the length direction is parallel to the S direction and the two end faces 11b are parallel to the S direction.
The reflecting surface 9 is formed of a minor-axis linear paraboloid on one of the five side surfaces 11a of the main body 11. As shown in FIG. 1, the reflecting surface 9 is inclined so as to face both the polygon mirror installed diagonally above the reflecting surface 9 and the focal position adjustment mirror Ms arranged on the left side of the reflecting surface 9. When the cross section of the main body 11 is viewed, the reflecting surface 9 is a reflecting surface whose outline draws a parabola, and the reflecting surface 9 maintains the same outline shape from one end side to the other end side along the length direction of the main body 11. That is, the reflecting surface 9 is formed as a linear paraboloid of the same shape from one end side to the other end side in the length direction of the main body 11.
The reflecting surface 9 is formed of a linear paraboloid that focuses the incident laser beam LB in the direction of the first axis.

焦点位置調整ミラーMsは、S方向と平行な方向に細長い四角柱状の本体部12を有し、この本体部12は、4つの側面12aと2つの端面12bを有する。本体部12は長さ方向をS方向と平行に向け、2つの端面12bをS方向と平行な方向の一側と他側に向けるように配置されている。本体部12の4つの側面12aのうち、1つの側面12aに特殊曲面からなる特殊反射曲面10が形成されている。
図1に示すように特殊反射曲面10は、特殊反射曲面10の右側方(Y方向)に設置されている短軸集光ミラーMLと特殊反射曲面10の下方に配置されているサポートロールSRの両方に対向するような傾斜を有する反射面である。
特殊反射曲面10は、後述するように、本体部12の長さ方向に沿って徐々に曲率が変化する反射面であるが、特殊反射曲面10の詳細形状については後に詳述する。
また、特殊反射曲面10の上下方向両側には、本体部12の側面12a、12aが配置されているが、特殊反射曲面10において上側の側面12aから下側の側面12aまでは曲率を有しない直線状に形成されている。即ち、特殊反射曲面10は本体部12の長さ方向(即ち、第2軸に対応する方向)に沿って曲率は変化するが、その幅方向(即ち、第1軸に対応する方向)には平坦で曲率を有しない反射面とされている。
The focal position adjustment mirror Ms has a main body 12 in the shape of a rectangular prism elongated in a direction parallel to the S direction, and this main body 12 has four side surfaces 12a and two end surfaces 12b. The main body 12 is arranged so that the length direction is parallel to the S direction and the two end surfaces 12b face one side and the other side in a direction parallel to the S direction. Of the four side surfaces 12a of the main body 12, one side surface 12a has a special reflective curved surface 10 made of a special curved surface formed thereon.
As shown in Figure 1, the special reflective curved surface 10 is a reflective surface that has an inclination that faces both the short-axis focusing mirror ML installed to the right side (Y direction) of the special reflective curved surface 10 and the support roll SR arranged below the special reflective curved surface 10.
As described below, the special reflecting curved surface 10 is a reflecting surface whose curvature gradually changes along the length direction of the main body 12, and the detailed shape of the special reflecting curved surface 10 will be described in detail later.
In addition, the side surfaces 12a, 12a of the main body 12 are arranged on both the top and bottom sides of the special reflective curved surface 10, but the special reflective curved surface 10 is formed in a straight line without curvature from the upper side surface 12a to the lower side surface 12a. That is, the curvature of the special reflective curved surface 10 changes along the length direction of the main body 12 (i.e., the direction corresponding to the second axis), but in the width direction (i.e., the direction corresponding to the first axis), it is a flat reflective surface without curvature.

前述のポリゴンミラーの反射面3にレーザビームLBを照射した状態のまま、ポリゴンミラーが回転軸2周りに回転することで、ポリゴンミラーが反射するレーザビームLBを所定範囲内で走査させることができる。
図1では、ポリゴンミラーの回転によりレーザビームLBを反射する場合の反射角度範囲の半分の角度を反射角(反射角半角)θsと表示している。
While the laser beam LB is irradiated onto the reflecting surface 3 of the polygon mirror, the polygon mirror rotates about the rotation axis 2, whereby the laser beam LB reflected by the polygon mirror can be made to scan within a predetermined range.
In FIG. 1, half the reflection angle range in the case where the laser beam LB is reflected by the rotation of the polygon mirror is indicated as a reflection angle (half reflection angle) θs.

図1の実線に示すように、走査したレーザビームLBを短軸集光ミラーMLから焦点位置調整ミラーMsの特殊反射曲面10に入射し、特殊反射曲面10で反射させて鋼板ESの表面のS方向に沿って照射し、その状態で走査させることで、線状の溝部又は線状の歪部15を形成することができる。 As shown by the solid line in FIG. 1, the scanned laser beam LB is incident on the special reflective curved surface 10 of the focal position adjustment mirror Ms from the short axis focusing mirror ML, reflected by the special reflective curved surface 10, and irradiated along the S direction on the surface of the steel sheet ES. By scanning in this state, a linear groove or linear distortion 15 can be formed.

次に、焦点位置調整ミラーMsの特殊反射曲面10について詳細に説明する。
説明の前提として、レーザビームLBの走査の中心はサポートロールSRの頂点部分の鋼板ESの表面に位置すると仮定する。ここで、鋼板ESの板幅方向あるいはサポートロールSRの回転軸方向をX方向、通板方向をY方向、XY平面の法線方向で、焦点位置調整ミラーMsの反射位置の中心とサポートロールSRの頂点部分に位置する鋼板ESとを結ぶ直線の方向をZ方向、走査の方向(即ち、第2軸の方向)をS方向と定義できる。XYZの各方向はそれぞれ直交しており、S方向とX方向のなす角を走査角θcと定義できる。走査ミラーMpによって走査されるレーザビームLBの、第1軸に垂直な平面における反射角(反射角半角)をθsと定義する。
Next, the special reflective curved surface 10 of the focal position adjustment mirror Ms will be described in detail.
As a premise for the explanation, it is assumed that the center of scanning of the laser beam LB is located on the surface of the steel sheet ES at the apex of the support roll SR. Here, the sheet width direction of the steel sheet ES or the rotation axis direction of the support roll SR can be defined as the X direction, the sheet passing direction can be defined as the Y direction, the direction of the straight line connecting the center of the reflection position of the focal position adjustment mirror Ms and the steel sheet ES located at the apex of the support roll SR in the normal direction of the XY plane can be defined as the Z direction, and the scanning direction (i.e., the direction of the second axis) can be defined as the S direction. Each of the XYZ directions is perpendicular to each other, and the angle between the S direction and the X direction can be defined as the scanning angle θc. The reflection angle (half reflection angle) of the laser beam LB scanned by the scanning mirror Mp on a plane perpendicular to the first axis is defined as θs.

本実施形態では、集光光学素子として、高出力レーザを用いても熱レンズ効果を生じないミラーを用いる。また、レーザビームLBの集光形状(ビームスポットBSの形状)は、走査方向と一致する方向に第2軸を持ち、その垂直方向に第1軸を持つ微小な正円形状又は楕円形状とする。楕円形状とするのは、真円形状の集光形状よりも加工性に優れるからである。また、特に加工性に影響するのは楕円形状の短軸方向の集光であり、短軸径を走査幅全長にわたり、例えば0.05mm以下などの微小なビームスポットBS形状となるように集光し、レーザ加工することが望ましい。但し、楕円形状ではなく正円形状であっても、本実施形態を実施することが可能である。 In this embodiment, a mirror that does not cause a thermal lens effect even when a high-power laser is used is used as the focusing optical element. The focusing shape of the laser beam LB (shape of the beam spot BS) is a minute perfect circle or ellipse with a second axis in the same direction as the scanning direction and a first axis perpendicular to the second axis. The ellipse shape is used because it is easier to process than a perfect circle. The focus in the minor axis direction of the ellipse particularly affects the processability, and it is desirable to focus the beam so that the minor axis diameter is a minute beam spot BS shape of, for example, 0.05 mm or less over the entire scanning width, and then perform laser processing. However, this embodiment can be implemented even if the shape is a perfect circle rather than an ellipse.

この様な集光とするため、長軸集光ミラーMcと短軸集光ミラーMLを用い、楕円集光の長軸方向と短軸方向とに対応する、第2軸と第1軸とを、それぞれ独立した線形放物面ミラーで集光する。
線形放物面ミラーとは一方向は放物面として、放物面形状で決まる方向にビームを反射および集光し、その直交方向は曲率を有しない平坦面であり、平坦面の法線に対称な入反射角でレーザビームを反射し、集光機能を持たないミラーである。また、線形曲面ミラーとは、一方向は特定の曲面を持ち、入射位置でのミラー曲面で決まる方向にレーザビームを反射集光し、その直交方向は平坦であり、平坦面の法線に対称な入反射角でレーザビームを反射し、集光機能を持たないミラーであると説明できる。
To achieve this type of focusing, a long axis focusing mirror Mc and a short axis focusing mirror ML are used, and the second axis and first axis, which correspond to the long axis and short axis directions of the elliptical focusing, are focused by independent linear parabolic mirrors.
A linear parabolic mirror is a mirror that has a parabolic surface in one direction, reflects and focuses a laser beam in a direction determined by the parabolic surface shape, and has a flat surface with no curvature in the perpendicular direction, reflects a laser beam at an incident reflection angle symmetrical to the normal to the flat surface, and has no focusing function. A linear curved mirror can also be described as a mirror that has a specific curved surface in one direction, reflects and focuses a laser beam in a direction determined by the mirror curved surface at the incident position, and has a flat surface in the perpendicular direction, reflects a laser beam at an incident reflection angle symmetrical to the normal to the flat surface, and has no focusing function.

次に、レーザ加工装置によって集光される焦点位置について図3を用いて説明する。
図3は、図1に示すレーザ加工装置1において、焦点位置調整ミラーMsの代わりに、特殊反射曲面10を一般的な平面状の反射面18に交換した平面ミラーM0を備えた参考例のレーザ加工装置20を示している。
図3に示すレーザ加工装置20において、平面ミラーM0は、図1における焦点位置調整ミラーMsの位置にあり、図3に示す、サポートロールSRと鋼板ESの位置関係、レーザビーム出射部LL、長軸集光ミラーMc、平面ミラーMF、走査ミラーMp、短軸集光ミラーMLの配置やこれら相互間の相対位置関係は、図1の場合と同様である。
Next, the focal position at which light is focused by the laser processing device will be described with reference to FIG.
FIG. 3 shows a reference example laser processing apparatus 20 in which, instead of the focal position adjustment mirror Ms in the laser processing apparatus 1 shown in FIG. 1, a plane mirror M0 is provided in which the special reflective curved surface 10 is replaced with a general planar reflective surface 18.
In the laser processing apparatus 20 shown in Figure 3, the plane mirror M0 is located at the position of the focal position adjustment mirror Ms in Figure 1, and the positional relationship between the support roll SR and the steel sheet ES, the arrangement of the laser beam emission section LL, long axis focusing mirror Mc, plane mirror MF, scanning mirror Mp, and short axis focusing mirror ML, and the relative positional relationships between these are the same as in Figure 1.

図3には、走査ミラーMpで走査されるレーザビームLBの軌跡のS-Z平面図が示されている。鋼板ESはサポートロールSRの頂上部分の曲面に沿っており、図3では、簡易的にサポートロールSRの表面を鋼板表面として図示している。
このS-Z平面図は、サポートロールSRの頂点部分に位置する鋼板ESの表面を通る、S方向の軸とZ方向の軸とがなす平面、即ち、サポートロールSRの頂点部分に位置する鋼板ESの表面を通る、第1軸に垂直な平面である。また、サポートロールSRの頂点部分に位置する鋼板ESの表面の点を原点とし、レーザビームLBの走査方向の中央に原点が配置される。
3 shows an SZ plan view of the trajectory of the laser beam LB scanned by the scanning mirror Mp. The steel sheet ES follows the curved surface of the top portion of the support roll SR, and in FIG. 3, for simplicity, the surface of the support roll SR is illustrated as the surface of the steel sheet.
This S-Z plane view is a plane formed by the S-direction axis and the Z-direction axis passing through the surface of the steel sheet ES located at the apex of the support roll SR, i.e., a plane perpendicular to the first axis passing through the surface of the steel sheet ES located at the apex of the support roll SR. In addition, the point on the surface of the steel sheet ES located at the apex of the support roll SR is set as the origin, and the origin is located at the center of the scanning direction of the laser beam LB.

レーザビームLBは、実際には図1に示す様に3次元方向の反射を行うが、説明の簡略化のため図3(A)では、走査ミラーMp~短軸集光ミラーML~平面ミラーM0~鋼板ESまでの反射を直線状の配置関係で示している。従って、図3は、S-Z平面に、走査ミラーMpと短軸集光ミラーMLと平面ミラーM0とを通過するレーザビームLBの軌跡を投影した図であるといえる。
走査ミラーMpの反射面3における反射点をA0として、走査中心光軸上(θs=0)において、レーザビームLBの短軸集光ミラーML上の反射点をA1、平面ミラーM0上の仮想反射点をA2とする。また、レーザビームLBが鋼板ESの表面で焦点を結ぶ点をA3とし、反射点A0~反射点A1間の距離をG1、反射点A1~仮想反射点A2間の距離をG2、仮想反射点A2~到達点A3間の距離をG3とする。
この場合、短軸集光ミラーMLの焦点距離をF_0とすると、距離G2+距離G3=F_0の関係が成り立つ。
Although the laser beam LB actually undergoes reflection in three-dimensional directions as shown in Fig. 1, for the sake of simplicity, the reflection from the scanning mirror Mp, the short-axis collecting mirror ML, the plane mirror M0, and the steel plate ES is shown in a linear arrangement in Fig. 3(A). Therefore, Fig. 3 can be said to be a projection onto the SZ plane of the trajectory of the laser beam LB passing through the scanning mirror Mp, the short-axis collecting mirror ML, and the plane mirror M0.
The reflection point on the reflecting surface 3 of the scanning mirror Mp is designated as A0, the reflection point of the laser beam LB on the short-axis focusing mirror ML on the scanning central optical axis (θs=0) is designated as A1, and the virtual reflection point on the plane mirror M0 is designated as A2. The point where the laser beam LB is focused on the surface of the steel sheet ES is designated as A3, the distance between the reflection point A0 and the reflection point A1 is designated as G1, the distance between the reflection point A1 and the virtual reflection point A2 is designated as G2, and the distance between the virtual reflection point A2 and the arrival point A3 is designated as G3.
In this case, if the focal length of the short axis collector mirror ML is F_0, the relationship of distance G2+distance G3=F_0 holds.

反射点A0から任意の反射角(仮想反射角)θsで反射する光軸上において、レーザビームLBの短軸集光ミラーML上の任意の反射点をA1’、平面ミラーM0上の仮想反射点をA2’とする。また、レーザビームLBの鋼板ESの表面に至る途上で焦点を結ぶ点をA3’とし、反射点A0~反射点A1’、反射点A1’~仮想反射点A2’、仮想反射点A2’~レーザビームLBの焦点位置A3’間の距離をそれぞれG1’、G2’、G3’とする。
この場合、焦点位置A3’は、上述のように反射角(仮想反射角)θsにおける短軸集光ミラーMLの焦点であるが、任意の反射角θsにおける短軸集光ミラーMLの焦点は、S軸上(Z=0)に存在することになる。これは以下の計算から導出される。
On the optical axis reflected from reflection point A0 at an arbitrary reflection angle (virtual reflection angle) θs0 , an arbitrary reflection point of the laser beam LB on the short-axis focusing mirror ML is designated as A1', and a virtual reflection point on the plane mirror M0 is designated as A2'. Also, a point where the laser beam LB is focused on the way to the surface of the steel sheet ES is designated as A3', and the distances between reflection point A0 and reflection point A1', reflection point A1' and virtual reflection point A2', and virtual reflection point A2' and focal position A3' of the laser beam LB are designated as G1', G2', and G3', respectively.
In this case, the focal position A3' is the focal point of the short-axis collector mirror ML at the reflection angle (virtual reflection angle) θs 0 as described above, but the focal point of the short-axis collector mirror ML at any reflection angle θs exists on the S-axis (Z = 0). This is derived from the following calculation.

短軸集光ミラーMLの放物曲線と直交する方向(第1軸に垂直な平面)において、所定の入射角θsでレーザビームLBが入射する場合の短軸集光ミラーMLの集光焦点距離:F(θs)は、以下の(4)式で表記できる。 When the laser beam LB is incident at a predetermined angle of incidence θs in a direction perpendicular to the parabolic curve of the short-axis focusing mirror ML (a plane perpendicular to the first axis), the focusing focal length F(θs) of the short-axis focusing mirror ML can be expressed by the following equation (4).

Figure 0007617426000004
Figure 0007617426000004

(4)式において、Fは、短軸集光ミラーMLの焦点距離を示し、走査の中心「θs=0」における焦点距離に一致する。したがって、短軸集光ミラーMLの焦点距離は、反射角θsの増加に従って長くなる。一方で、短軸集光ミラーMLから鋼板ESまでの伝搬距離(G2’+G3’) も反射角θsに依存し、下記の(5)式で表記できる。 In formula (4), F0 indicates the focal length of the short axis collector mirror ML, and coincides with the focal length at the center of the scan, "θs = 0". Therefore, the focal length of the short axis collector mirror ML becomes longer as the reflection angle θs increases. On the other hand, the propagation distance (G2' + G3') from the short axis collector mirror ML to the steel sheet ES also depends on the reflection angle θs and can be expressed by the following formula (5).

Figure 0007617426000005
Figure 0007617426000005

従って、反射角θsに依存して焦点距離と伝搬距離は同じ比率で変化するため、走査線の全幅で焦点位置はS軸上(Z=0)に位置することになる。なお、参考に集光ビームの直径dは以下の(6)式で表記できる。 Therefore, since the focal length and the propagation distance change at the same ratio depending on the reflection angle θs, the focal position is located on the S axis (Z = 0) over the entire width of the scanning line. For reference, the diameter d 0 of the focused beam can be expressed by the following equation (6).

Figure 0007617426000006
Figure 0007617426000006

(6)式においてConstは、レーザビームLBの品質で決まるレーザ固有の定数、Dは短軸集光ミラーMLへ入射するレーザビームの第1軸方向の径、λはレーザ波長である。
(6)式より、反射角θsの増大に依存してF(θs)は増加するため、反射角θsが大きくなると集光点におけるレーザビーム直径は増大するが、仮に、反射角θsの最大値を20°として走査光学系を設計した場合、走査端でのビーム径拡大率は走査中心の6%程度であり、加工性の劣化はほとんどないと考えられる。
In equation (6), Const is a constant specific to the laser determined by the quality of the laser beam LB, D is the diameter in the first axis direction of the laser beam incident on the short axis focusing mirror ML, and λ is the laser wavelength.
According to equation (6), F(θs) increases with an increase in the reflection angle θs, and therefore the laser beam diameter at the focal point increases as the reflection angle θs increases. However, if the scanning optical system is designed with the maximum reflection angle θs of 20°, the beam diameter expansion rate at the scanning end is about 6% of that at the scanning center, and it is considered that there will be almost no deterioration in processability.

図2(A)は、XY平面から見たサポートロールSRの上面側の展開図、図2(B)はYZ平面からみたサポートロールSRの側面側の展開図であり、図2(C)は図2(B)におけるサポートロールSRの頂部領域を拡大した図である。
図2(A)に示すXY平面図より、X方向とのなす走査角をθcでS方向にレーザビームLBを走査した場合、レーザビームLBの鋼板ESの表面への到達点の、サポートロールSR頂上の稜線をなすX軸(Y=0)からのY方向の離隔距離Wyは、Sの関数として以下の(7)式で表記することができる。
Figure 2(A) is an expanded view of the top side of the support roll SR as viewed from the XY plane, Figure 2(B) is an expanded view of the side side of the support roll SR as viewed from the YZ plane, and Figure 2(C) is an enlarged view of the top region of the support roll SR in Figure 2(B).
In the XY plan view shown in FIG. 2(A), when a laser beam LB is scanned in the S direction at a scanning angle θc with respect to the X direction, the distance Wy in the Y direction from the X-axis (Y=0) forming the ridge line of the top of the support roll SR to the point where the laser beam LB reaches the surface of the steel sheet ES can be expressed as a function of S by the following equation (7).

Figure 0007617426000007
Figure 0007617426000007

図2(B)、図2(C)に示すYZ平面図より、サポートロールSRの頂点部分での接線とサポートロールSRの表面との距離h(s)はSの関数として以下の(8)~(10)式で導かれる。 From the YZ plane diagrams shown in Figures 2(B) and 2(C), the distance h(s) between the tangent at the apex of the support roll SR and the surface of the support roll SR can be derived as a function of S using the following equations (8) to (10).

Figure 0007617426000008
Figure 0007617426000008

Figure 0007617426000009
Figure 0007617426000009

Figure 0007617426000010
Figure 0007617426000010

ここでRはサポートロールSRの半径、φは直線S=WyとサポートロールSRの表面(鋼板ESの表面の近似)の交点BにおけるサポートロールSRの中心角(図2(B)、図2(C)参照)である。
よって、走査角θc>0°においてはSの増加、すなわち走査中心から距離Sだけ離れるに従い、h(s)は増大する。よって、サポートロールSRの頂点部分でレーザ走査照射を行う場合、走査するレーザビームLBの焦点は、サポートロールSRの頂点の接線となるため、走査端ほど焦点ボケが大きくなり、加工性が大きく劣化することとなる。
Here, R is the radius of the support roll SR, and φ is the central angle of the support roll SR at the intersection B of the straight line S=Wy and the surface of the support roll SR (approximation of the surface of the steel sheet ES) (see Figures 2(B) and 2(C)).
Therefore, when the scanning angle θc>0°, h(s) increases with an increase in S, that is, with a distance S from the scanning center. Therefore, when laser scanning and irradiation is performed at the apex of the support roll SR, the focus of the scanning laser beam LB becomes a tangent to the apex of the support roll SR, so that the out-of-focus becomes larger toward the scanning end, and the processability is significantly deteriorated.

なお、レーザビームの集光形状において、ビームスポットBSの第2軸の方向(C方向)の集光径は、ビームスポットBSの第1軸の方向(L方向)に比べて大きく、鋼板ESの溝加工では第1軸の径dcに比べて5~10倍の第2軸の径dLをとる。そのため、長軸集光ミラーMcの集光焦点距離は、短軸集光ミラーMLの5~10倍となり、加工可能な焦点深度も同程度長くなるため、第1軸の焦点ボケ程には加工性に影響しない。 In addition, in the focused shape of the laser beam, the focused diameter in the direction of the second axis (C direction) of the beam spot BS is larger than the direction of the first axis (L direction) of the beam spot BS, and when machining grooves in steel plate ES, the second axis diameter dL is 5 to 10 times larger than the first axis diameter dc. Therefore, the focusing focal length of the long axis focusing mirror Mc is 5 to 10 times larger than the short axis focusing mirror ML, and the processable focal depth is also similarly long, so it does not affect processability as much as the defocusing of the first axis.

本実施形態では、短軸集光ミラーMLと鋼板ESの表面までの間に、第1軸方向(L方向)の焦点距離を変えずに、レーザビームLBの伝搬方向を変更する、ある特定の特殊反射曲面10を持った焦点位置調整ミラーMsを設置する。このことで、焦点位置をサポートロールESの表面の曲面に一致させることができる。
以下に焦点位置調整ミラーMsの機能と曲面の設定方法について詳細に説明する。
In this embodiment, a focal position adjustment mirror Ms having a specific special curved reflecting surface 10 that changes the propagation direction of the laser beam LB without changing the focal length in the first axial direction (L direction) is installed between the short axis focusing mirror ML and the surface of the steel sheet ES. This allows the focal position to coincide with the curved surface of the support roll ES.
The function of the focal position adjustment mirror Ms and the method of setting the curved surface will be described in detail below.

図4に、図1、図2に示した本実施形態のレーザ加工装置1において、走査ミラーMp(例として、ポリゴンミラー)で走査されるレーザビームLBの軌跡のS-Z平面図を示す。
鋼板ESはサポートロールSRの頂上部分の曲面に沿っており、簡易的にサポートロールSRの表面を鋼板表面として図示している。レーザビームLBは、実際には図1に示す様に3次元的な反射を行うが、簡略化のため図4では、走査ミラーMp~短軸集光ミラーML~焦点位置調整ミラーMs~鋼板ESまでを直線で示している。従って、図4は、S-Z平面に走査ミラーMpと短軸集光ミラーMLと焦点位置調整ミラーMsとを通過するレーザビームLBの軌跡を投影した図であるといえる。
FIG. 4 shows an SZ plan view of the trajectory of the laser beam LB scanned by the scanning mirror Mp (a polygon mirror, for example) in the laser processing apparatus 1 of the present embodiment shown in FIGS.
The steel sheet ES follows the curved surface of the top portion of the support roll SR, and for simplicity, the surface of the support roll SR is illustrated as the steel sheet surface. The laser beam LB actually undergoes three-dimensional reflection as shown in Fig. 1, but for simplification, Fig. 4 shows the scanning mirror Mp, the short axis collector mirror ML, the focal position adjustment mirror Ms, and the steel sheet ES as a straight line. Therefore, Fig. 4 can be said to be a diagram in which the trajectory of the laser beam LB passing through the scanning mirror Mp, the short axis collector mirror ML, and the focal position adjustment mirror Ms is projected onto the SZ plane.

焦点位置調整ミラーMsは、S方向に平行な方向のみ曲率を持ち、その直交方向は平坦である。そのため、短軸集光ミラーMLの集光特性に影響を与えない。すなわち、図3にも表示した短軸集光ミラーMLからの集光焦点距離G3’(短軸集光ミラーMLの焦点距離F_0から、レーザビームLBが短軸集光ミラーMLで反射する点(A1’)とレーザビームLBが焦点位置調整ミラーMsで反射する点(A2’)との間の距離を、引いて得られる距離)は、F(θs)=G3’となり、図4でも変化しない。
そこで、焦点位置調整ミラーMs上の任意の仮想反射点A2’から、集光焦点距離G3’と等距離にあるサポートロールSRの図4(B)に示す表面点A4に、レーザビームLBの焦点が到達するように反射角度を変更する曲面を焦点位置調整ミラーMsの特殊反射曲面10に付与する。なお、図3に示した任意の仮想反射点A2’と、図4に示した任意の仮想反射点A2'は、図3と図4に本体部12の輪郭として示した長方形状の領域内において同等位置を示す。
The focal position adjustment mirror Ms has a curvature only in the direction parallel to the S direction, and is flat in the direction perpendicular to the direction. Therefore, it does not affect the focusing characteristics of the short axis focusing mirror ML. That is, the focusing focal length G3' from the short axis focusing mirror ML shown in FIG. 3 (the distance obtained by subtracting the distance between the point (A1') where the laser beam LB is reflected by the short axis focusing mirror ML and the point (A2') where the laser beam LB is reflected by the focal position adjustment mirror Ms from the focal length F_0 of the short axis focusing mirror ML) is F(θs)=G3', and does not change in FIG. 4.
Therefore, a curved surface that changes the reflection angle so that the focal point of the laser beam LB reaches a surface point A4 shown in Fig. 4(B) of the support roll SR that is equidistant from an arbitrary virtual reflection point A2' on the focal position adjustment mirror Ms as the focusing focal length G3' is provided on the special reflection curved surface 10 of the focal position adjustment mirror Ms. Note that the arbitrary virtual reflection point A2' shown in Fig. 3 and the arbitrary virtual reflection point A2' shown in Fig. 4 indicate equivalent positions within a rectangular area shown as the outline of the main body 12 in Figs. 3 and 4.

特殊反射曲面10の存在により、走査方向Sに沿うサポートロールSRの表面に短軸集光ミラーMLの焦点を一致させることが可能になる。図4(B)に示す表面点A4は、前記(10)式で示した関数式のh(S)と、仮想反射点A2’を中心として半径G3’の円f(S,Z)の交点である。
ここでf(S,Z)は仮想反射点A2’座標を(S、Z)として、以下の(11)式と(12)式で表示できる。
The presence of the special reflecting curved surface 10 makes it possible to make the focal point of the short-axis focusing mirror ML coincide with the surface of the support roll SR along the scanning direction S. The surface point A4 shown in Fig. 4(B) is the intersection point of the function h(S) shown in the above formula (10) and the circle f(S, Z) of radius G3' centered on the virtual reflecting point A2'.
Here, f(S, Z) can be expressed by the following equations (11) and (12) with the coordinates of the virtual reflection point A2' being (S 2 , Z 2 ).

Figure 0007617426000011
Figure 0007617426000011

Figure 0007617426000012
Figure 0007617426000012

(11)式と(12)式より、任意の仮想反射角θsについてS-Z平面上での交点座標A4(S,Z)を求めることができる。
一例として、以下の表1に示す設定条件にて、仮想反射角θs=10°の場合のh(s)とf(S,Z)をS-Z平面(S-Z座標面)上にプロットし、交点座標A4を求めた結果を図5に示す。
図5に示すように、交点座標A4は、(42.45、-0.27)と求められる。
From equations (11) and (12), the intersection coordinates A4 (S 4 , Z 4 ) on the SZ plane can be found for any virtual reflection angle θs 0 .
As an example, under the setting conditions shown in Table 1 below, h(s) and f(S, Z) when the virtual reflection angle θs = 10° are plotted on the SZ plane (SZ coordinate plane), and the intersection coordinate A4 is calculated. The result is shown in FIG. 5.
As shown in FIG. 5, the intersection coordinates A4 are determined to be (42.45, -0.27).

Figure 0007617426000013
Figure 0007617426000013

次に、変更後の実効反射角θs’を求める。変更後の実効反射角θs’は座標A2’(S、Z)とA4(S,Z)から以下の(13)式で計算することができる。 Next, the changed effective reflection angle θs′ is calculated. The changed effective reflection angle θs′ can be calculated from the coordinates A2′ (S 2 , Z 2 ) and A4 (S 4 , Z 4 ) using the following formula (13).

Figure 0007617426000014
Figure 0007617426000014

ここで、Z=G3であり、またS4、Z4は前述のように(11)式と(12)式の交点として決定されるため、変更後の実効反射角θs’は、(13)式からSの関数となる。
すなわち、焦点位置調整ミラーMsの実効反射角θs’の任意のS方向位置での曲面の設計値が得られる。
焦点位置調整ミラーMsに設ける特殊反射曲面10の曲面は、その法線角度で規定することができる。
図6に示されるように焦点位置調整ミラーMsでの仮想反射角をθsから実効反射角θs’に変更するには、特殊反射曲面10の法線をZ軸に対して角度:α1だけ傾けるとすると、α1は以下の(14)式で表示できる。即ち、α1は、第1軸に垂直な平面において、前記レーザビームが前記焦点位置調整ミラーMsへ入射する際の入射角である。
Here, Z 2 =G3, and S4 and Z4 are determined as the intersection of equations (11) and (12) as described above, so that the changed effective reflection angle θs′ becomes a function of S 2 from equation (13).
That is, the design value of the curved surface at any position in the S direction of the effective reflection angle θs′ of the focal position adjustment mirror Ms can be obtained.
The curved surface of the special reflecting curved surface 10 provided on the focal position adjustment mirror Ms can be defined by its normal angle.
6, to change the virtual reflection angle at the focal position adjustment mirror Ms from θs0 to the effective reflection angle θs', if the normal to the special reflection curved surface 10 is tilted by an angle α1 with respect to the Z axis, α1 can be expressed by the following formula (14). That is, α1 is the angle of incidence when the laser beam is incident on the focal position adjustment mirror Ms on a plane perpendicular to the first axis.

Figure 0007617426000015
Figure 0007617426000015

変更後の実効反射角θs’は、上述より、Sの関数であることから、焦点位置調整ミラーMsの特殊反射曲面10上のS方向の各位置での法線角度を決定することができる。
先の具体例である表1の条件にて、仮想反射角θsを0~20°まで変更した場合のS方向の位置とαの関係を図7に示す。図7に示すように、S方向位置とαの関係はほぼ比例関係となった。
As described above, the changed effective reflection angle θs′ is a function of S, so the normal angle at each position in the S direction on the special reflection curved surface 10 of the focal position adjustment mirror Ms can be determined.
Fig. 7 shows the relationship between the position in the S direction and α1 when the virtual reflection angle θs0 is changed from 0 to 20° under the conditions in Table 1, which is a specific example. As shown in Fig. 7, the relationship between the position in the S direction and α1 is almost proportional.

以上説明のように求められた、焦点位置調整ミラーMsの特殊反射曲面10におけるS方向の曲面を規定する法線角度分布αは、焦点位置調整ミラーMsの特殊反射曲面10へ入射したレーザビームLBを短軸集光ミラーML方向へ正反射する場合の値である。 The normal angle distribution α1 that defines the S-direction curved surface of the special reflecting curved surface 10 of the focus position adjustment mirror Ms, obtained as described above, is the value when the laser beam LB incident on the special reflecting curved surface 10 of the focus position adjustment mirror Ms is specularly reflected in the direction of the short axis focusing mirror ML.

しかし、実際のミラー配置では、図8に示す様に焦点位置調整ミラーMsは、短軸集光ミラーMLからの入射レーザビームLBをZ軸のほぼ鉛直下向きに反射することになる。そのため、製作する焦点位置調整ミラーMsの反射面設計(曲面設計)では、入反射角を考慮する必要がある。 However, in an actual mirror arrangement, as shown in Figure 8, the focal position adjustment mirror Ms reflects the incident laser beam LB from the short axis focusing mirror ML almost vertically downward along the Z axis. Therefore, the incident and reflection angle must be taken into consideration when designing the reflecting surface (curved surface design) of the focal position adjustment mirror Ms to be manufactured.

図8は、第2軸に垂直な平面において、短軸集光ミラーMLから、焦点位置調整ミラーMsへの入反射角がβの場合を図示している。
S方向に曲率半径を持つ焦点位置調整ミラーMsに対し、図8に示された方向にレーザビームLBが入反射される場合、反射ビームはS方向曲率半径に1/cosβを乗じた曲率半径で反射される。したがって、先の(14)式に示すαの曲面分布を入反射角βにて実現する場合に、実際の焦点位置調整ミラーMsの法線角度設計値αは、以下の(15)式で表示できる。
FIG. 8 illustrates a case where the incident reflection angle from the short axis collector mirror ML to the focus position adjustment mirror Ms is β on a plane perpendicular to the second axis.
8 with respect to a focus position adjustment mirror Ms having a radius of curvature in the S direction, the reflected beam is reflected with a radius of curvature obtained by multiplying the S direction radius of curvature by 1/cos β. Therefore, when the curved surface distribution of α1 shown in the above formula (14) is realized at an incident/reflection angle β, the actual normal angle design value α2 of the focus position adjustment mirror Ms can be expressed by the following formula (15).

Figure 0007617426000016
Figure 0007617426000016

なお、焦点位置調整ミラーMsの特殊反射曲面10がレーザビームの走査方向(S方向)に曲率分布を有するため、仮想反射角θsの変化と同時にレーザビームLBの楕円集光形状の長軸方向の集光性を有することとなる。しかし、図7に示すようにその曲率変化は非常に小さいので、レーザビームLBの楕円集光形状の長軸方向に対する影響は小さい。 Since the special reflective curved surface 10 of the focal position adjustment mirror Ms has a curvature distribution in the scanning direction (S direction) of the laser beam, the laser beam LB has a focusing property in the major axis direction of the elliptical focusing shape thereof at the same time as the change in the virtual reflection angle θs 0. However, as shown in FIG. 7, the change in the curvature is very small, so that the effect on the major axis direction of the elliptical focusing shape of the laser beam LB is small.

以上の説明から、実際の焦点位置調整ミラーMsの法線角度設計値αを求めることができたので、この値に基づき、焦点位置調整ミラーMsの特殊反射曲面10のS方向と平行方向に沿う曲率を求め、この曲率に基づき特殊反射曲面10を製作するならば、目的の焦点位置調整ミラーMsを製作できる。
この焦点位置調整ミラーMsを図1、図4に示すように適用することで鋼板ESに対し目的の走査方向に沿う線状の溝部又は線状の歪部を精度良く形成できる。即ち、走査方向Sの一端から他端まで焦点位置を鋼板ESの表面に正確に位置合わせできるので、焦点ボケのない状態で線状の溝部又は線状の歪部を形成できる。
From the above explanation, the normal angle design value α2 of the actual focus position adjustment mirror Ms can be obtained. Based on this value, the curvature along the direction parallel to the S direction of the special reflecting curved surface 10 of the focus position adjustment mirror Ms can be obtained. If the special reflecting curved surface 10 is manufactured based on this curvature, the desired focus position adjustment mirror Ms can be manufactured.
1 and 4, a linear groove or linear distortion can be formed with high accuracy along the target scanning direction on the steel sheet ES. That is, since the focal position can be accurately aligned on the surface of the steel sheet ES from one end to the other end in the scanning direction S, a linear groove or linear distortion can be formed without defocusing.

なお、レーザビームLBで鋼板ESの表面を走査する場合、明確な溝形状となるようにレーザビームLBを走査しても良いし、形状的に明確な溝ではなく溝を構成しないが歪部を構成するようにレーザビームLBを走査しても良い。歪部を設けることで方向性電磁鋼板として目的の磁区制御を行っても良い。
また、以上では、レーザ加工装置1が、長軸集光ミラーMc及び平面ミラーMFを有している場合を例に説明を行ったが、上述の通り、第1軸方向の集光は、線状の溝部又は線状の歪部の形成において影響が小さいことから、レーザ加工装置1が、長軸集光ミラーMc及び平面ミラーMFを有していない構成とすることも可能である。
When scanning the surface of the steel sheet ES with the laser beam LB, the laser beam LB may be scanned so as to form a clearly defined groove shape, or the laser beam LB may be scanned so as not to form a clearly defined groove shape but to form a distorted portion. By providing a distorted portion, it is possible to perform the desired magnetic domain control as a grain-oriented electrical steel sheet.
In addition, the above has been explained using an example in which the laser processing apparatus 1 has a long axis focusing mirror Mc and a plane mirror MF, but as described above, since focusing in the first axial direction has little effect on the formation of linear grooves or linear distorted portions, it is also possible for the laser processing apparatus 1 to be configured so as not to have a long axis focusing mirror Mc and a plane mirror MF.

また、図1を用いた説明では、レーザビームLBがファイバレーザまたはディスクレーザであることとしたが、これらに限定されない。例えば、COレーザーであってもよい。
また、先の実施形態で、走査ミラーMpとして用いた回転式のポリゴンミラーは、図9に示す構成のガルバノミラー30に変更しても良い。
図9に示すガルバノミラー30は、駆動モータ31によって図9の矢印方向に回転駆動される。ガルバノミラー30の回転角度に応じてレーザビームLBの反射方向を変更し、レーザビームLBを走査することができる。
In addition, although the laser beam LB is a fiber laser or a disk laser in the description using Fig. 1, it is not limited to these. For example, it may be a CO2 laser.
Moreover, the rotary polygon mirror used as the scanning mirror Mp in the previous embodiment may be changed to a galvanometer mirror 30 having a configuration shown in FIG.
A galvanometer mirror 30 shown in Fig. 9 is rotated in the direction of the arrow in Fig. 9 by a drive motor 31. The reflection direction of the laser beam LB can be changed according to the rotation angle of the galvanometer mirror 30, thereby enabling scanning with the laser beam LB.

1…レーザ加工装置、3…反射面、6…反射面、8…反射面、9…反射面、10…特殊反射曲面、11…本体部、11a…側面、12…本体部、12a…側面、30…ガルバノミラー、BS…ビームスポット、ES…方向性電磁鋼板(鋼板)、LB…レーザビーム、Mc…長軸集光ミラー、MF…平面ミラー、ML…短軸集光ミラー、Mp…走査ミラー、Ms…焦点位置調整ミラー、SR…サポートロール、θc…走査角、θs…反射角(反射角半角)、θs…仮想反射角、θs’…実効反射角、S…走査方向、G1、G2、G3…距離、G1’、G2’…距離、集光焦点距離…G3’、A0、A1…反射点、A2…仮想反射点、A1’…反射点、A2’…仮想反射点、A3、A3'…焦点位置。 1...laser processing device, 3...reflective surface, 6...reflective surface, 8...reflective surface, 9...reflective surface, 10...special reflective curved surface, 11...main body, 11a...side surface, 12...main body, 12a...side surface, 30...galvanometer mirror, BS...beam spot, ES...directional electromagnetic steel sheet (steel sheet), LB...laser beam, Mc...long axis focusing mirror, MF...flat mirror, ML...short axis focusing mirror, Mp...scanning mirror, Ms...focus position adjustment mirror, SR...support roll, θc...scanning angle, θs...reflection angle (half reflection angle), θs0 ...virtual reflection angle, θs'...effective reflection angle, S...scanning direction, G1, G2, G3...distance, G1', G2'...distance, focusing focal length...G3', A0, A1...reflection point, A2...virtual reflection point, A1'...reflection point, A2'...virtual reflection point, A3, A3'...focus position.

Claims (5)

サポートロールに付勢されて通板される鋼板の表面を正円形状又は楕円形状のビームスポットを有するレーザビームで走査することで、前記鋼板に線状の溝部又は線状の歪部を形成するレーザ加工装置であって、
レーザビームを出射するレーザビーム出射部と、
前記レーザビームを反射する走査ミラーと、
前記走査ミラーで反射した前記レーザビームを反射し、前記ビームスポットの短軸に相当する第1軸の方向に集光する短軸集光ミラーと、
前記短軸集光ミラーで反射した前記レーザビームを反射し、前記鋼板の表面に照射する焦点位置調整ミラーと、
を有し、
前記走査ミラーは、前記レーザビームを反射する方向を変化させ、前記レーザビームが前記鋼板の表面に照射される位置を変化させることで、前記レーザビームで前記鋼板の表面を走査し、
前記焦点位置調整ミラーは、前記レーザビームを、
前記短軸集光ミラーの焦点距離から、前記レーザビームが前記短軸集光ミラーで反射する点と前記レーザビームが焦点位置調整ミラーで反射する点との間の距離を、引いて得られる距離である集光焦点距離と、前記レーザビームが前記焦点位置調整ミラーで反射する点からの距離とが、等しくなる鋼板の表面上の点に、集光させる曲率を有する、レーザ加工装置。
A laser processing apparatus for forming a linear groove portion or a linear distortion portion in a steel sheet by scanning a surface of the steel sheet, which is passed through the steel sheet while being biased by a support roll, with a laser beam having a circular or elliptical beam spot, the laser processing apparatus comprising:
a laser beam emitting unit that emits a laser beam;
a scanning mirror that reflects the laser beam;
a short-axis focusing mirror that reflects the laser beam reflected by the scanning mirror and focuses the laser beam in a direction of a first axis corresponding to a short axis of the beam spot;
a focal position adjustment mirror that reflects the laser beam reflected by the short axis focusing mirror and irradiates the laser beam onto the surface of the steel sheet;
having
the scanning mirror changes a direction in which the laser beam is reflected, and changes a position at which the laser beam is irradiated on the surface of the steel sheet, thereby scanning the surface of the steel sheet with the laser beam;
The focus position adjustment mirror adjusts the laser beam to
A laser processing device having a curvature that focuses light at a point on the surface of a steel plate at which the focusing focal length, which is the distance obtained by subtracting the distance between the point at which the laser beam is reflected by the short axis focusing mirror and the point at which the laser beam is reflected by the focus position adjustment mirror from the focal length of the short axis focusing mirror, is equal to the distance from the point at which the laser beam is reflected by the focus position adjustment mirror.
前記レーザビーム出射部から出射された前記レーザビームを反射し、前記ビームスポットの長軸に相当する第2軸の方向に集光する長軸集光ミラーを有し、
前記走査ミラーは、前記長軸集光ミラーで反射した前記レーザビームを反射する、請求項1に記載のレーザ加工装置。
a long-axis focusing mirror that reflects the laser beam emitted from the laser beam emitting portion and focuses the laser beam in a direction of a second axis corresponding to a long axis of the beam spot;
The laser processing device according to claim 1 , wherein the scanning mirror reflects the laser beam reflected by the long axis focusing mirror.
前記第1軸の方向から見た前記レーザビームの前記焦点位置調整ミラーへの入射する際の入射角で規定される、前記焦点位置調整ミラーの曲率α2は、以下の(1)~(3)式で示される、請求項1又は請求項2に記載のレーザ加工装置。
なお、(S,Z)は、前記前記レーザビームが焦点位置調整ミラーで反射する点の前記第1軸に垂直な平面上の座標であり、
(S,Z)は、集光焦点距離と、前記レーザビームが前記焦点位置調整ミラーで反射する点からの距離とが、等しくなる鋼板の表面上の点の前記第1軸に垂直な平面上の座標であり、
α1は、前記第1軸に垂直な平面において、前記レーザビームが前記焦点位置調整ミラーへ入射する際の入射角であり、
βは、前記ビームスポットの長軸に相当する第2軸に垂直な平面において、前記レーザビームが前記焦点位置調整ミラーへ入射する際の入射角であり、
θsoは、前記第1軸に垂直な平面において、前記レーザビームが前記焦点位置調整ミラーの位置で曲率を持たない平面ミラーで反射した場合の反射角であり、
θ’sは、前記第1軸に垂直な平面において、前記レーザビームが前記焦点位置調整ミラーで反射する際の反射角である。
Figure 0007617426000017
Figure 0007617426000018
Figure 0007617426000019
3. The laser processing apparatus according to claim 1, wherein a curvature α2 of the focus position adjustment mirror, which is defined by an incident angle of the laser beam when it is incident on the focus position adjustment mirror as viewed from the direction of the first axis, is expressed by the following formulas (1) to (3).
Here, (S 2 , Z 2 ) is the coordinate on a plane perpendicular to the first axis of the point where the laser beam is reflected by the focal position adjustment mirror,
(S 4 , Z 4 ) are coordinates on a plane perpendicular to the first axis of a point on the surface of the steel plate where the focusing focal length is equal to the distance from the point where the laser beam is reflected by the focus position adjustment mirror,
α1 is an incident angle of the laser beam on the focal position adjustment mirror in a plane perpendicular to the first axis,
β is an incident angle of the laser beam on the focal position adjustment mirror in a plane perpendicular to a second axis corresponding to the major axis of the beam spot ,
θso is a reflection angle when the laser beam is reflected by a plane mirror having no curvature at the position of the focus position adjustment mirror in a plane perpendicular to the first axis,
θ's is the reflection angle when the laser beam is reflected by the focal position adjustment mirror on a plane perpendicular to the first axis.
Figure 0007617426000017
Figure 0007617426000018
Figure 0007617426000019
前記短軸集光ミラーの反射面は線形放物面である、請求項1~請求項3のいずれか一項に記載のレーザ加工装置。 The laser processing device according to any one of claims 1 to 3, wherein the reflecting surface of the short-axis focusing mirror is a linear paraboloid. 前記走査ミラーは、回転ポリゴンミラー又はガルバノミラーである、請求項1~請求項4のいずれか一項に記載のレーザ加工装置。 The laser processing device according to any one of claims 1 to 4, wherein the scanning mirror is a rotating polygon mirror or a galvanometer mirror.
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