JP2020185585A - 溝加工装置及び溝加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】光学部品を汚染することなく、均一な溝加工及び溝深さを実現する溝加工装置及び溝加工方法を提供する。【解決手段】鋼板２０の表面に溝Ｕを形成する溝加工装置１００は、レーザビームを出力する光源装置１１と、光源装置１１から出力されたレーザビームを反射するポリゴンミラー１０と、ポリゴンミラー１０から反射されたレーザビームを鋼板２０の表面に集光させる集光レンズ１２と、モータ１３により回転するポリゴンミラー１０の回転角度を検出するセンサ１４と、センサ１４によって検出されたポリゴンミラー１０の回転角度に応じて、光源装置１１によるレーザビームのパワーのオンとオフを制御する制御部１５と、を備える。レーザビームがポリゴンミラー１０の隣接する二面にまたがって入射されているとき、制御部１５は、光源装置１１に対してレーザビームのパワーをオフにするよう制御する。【選択図】図２

Description

本発明は、レーザにより対象物に溝を形成する溝加工装置及び溝加工方法に関する。

以前から、ポリゴンミラーを用いて、鋼板の表面を鋼板の通板方向に交差する方向（走査方向）にレーザビームで照射して、鋼板の表面に溝を周期的に形成することで、鉄損特性を改善する溝加工装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００２−２９２４８４号公報

図１Ａ及び図１Ｂに示すように、溝加工装置のポリゴンミラー１０に入射されるレーザビームＬＢは、点光源ではなく、所定の半径φを有している。

図１Ａに示すように、レーザビームＬＢがポリゴンミラー１０の一面に収まるように入射されたとき、ポリゴンミラー１０から反射されたレーザビームＬＢは、集光レンズ１２を介して鋼板２０の表面の一ケ所に集光され、鋼板２０の表面の当該箇所に溝が形成される。

一方、図１Ｂに示すように、ポリゴンミラー１０の隣接する二面にまたがった角部にレーザビームＬＢが入射されると、レーザビームＬＢは、その隣接する二面のそれぞれから反射されるため、レーザビームＬＢが分割されて鋼板２０の表面に集光される。その結果、走査方向における溝の端部が、不十分なエネルギー密度のレーザビームで加工されることになるため、溝の端部が浅くなり、均一な溝を形成することができない。また、分割されたレーザビームは、レーザビームＬＢとは異なる方向に照射されるため、鋼板２０の表面の溝が形成されるべき位置とは異なる位置や、鋼板２０の表面以外の別の装置等を、誤って加工してしまう虞もある。

このような事態を回避するため、溝の端部に相当する部分にレーザビームを照射しないようマスク等の遮蔽板を設けることが考えられる。しかしながら、このような構成では遮蔽板自体が加工されてしまい、光学部品の汚染を招くという課題がある。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、光学部品を汚染することなく、均一な溝加工及び溝深さを実現する溝加工装置及び溝加工方法を提供することを目的とする。

本発明の実施形態に係る溝加工装置は、レーザビームによって対象物の表面に溝を形成する溝加工装置であって、前記レーザビームを出力する光源装置と、前記光源装置から出力された前記レーザビームを反射するポリゴンミラーと、前記ポリゴンミラーから反射された前記レーザビームの光路に設けられ、当該レーザビームを前記対象物の表面に集光させる集光光学系と、前記ポリゴンミラーに連結され、前記ポリゴンミラーを回転させるモータと、前記モータによって回転する前記ポリゴンミラーの回転角度を検出するセンサと、前記センサによって検出された前記ポリゴンミラーの回転角度に応じて、前記光源装置が出力する前記レーザビームのパワーのオンとオフを制御する制御部と、を備える。

本発明の実施形態に係る溝加工方法は、レーザビームによって対象物の表面に溝を形成する溝加工方法であって、光源装置により、前記レーザビームを出力するステップと、モータによって回転するポリゴンミラーにより、前記光源装置から出力された前記レーザビームを反射させるステップと、前記ポリゴンミラーから反射された前記レーザビームを集光光学系により前記対象物の表面に集光させるステップと、センサにより、前記ポリゴンミラーの回転角度を検出するステップと、前記センサによって検出された前記ポリゴンミラーの回転角度に応じて、制御部により、前記光源装置が出力する前記レーザビームのパワーのオンとオフを制御するステップと、を備える。

本発明によれば、ポリゴンミラーの回転角度に応じてレーザビームのパワーをオンオフ制御することにより、光学部品を汚染することなく、均一な溝加工及び溝深さを実現し、鉄損特性の優れた製品を生産することができる。

レーザビームがポリゴンミラーの一面に収まるように入射されたときに、ポリゴンミラーから反射されたレーザビームが鋼板の表面に集光される状態を示す模式図である。 レーザビームがポリゴンミラーの隣接する二面にまたがって入射されたときに、隣接する二面からそれぞれ反射されたレーザビームが鋼板の表面に集光される状態を示す模式図である。 本実施形態に係る溝加工装置の概略構成を示す斜視図である。 ポリゴンミラーの回転角度を説明するための模式図である。 ポリゴンミラーの回転角度に応じたレーザビームのパワー制御を説明するための模式図である。 レーザビームのパワー制御の実施例において、ポリゴンミラーの回転角度とレーザパワーとの関係を表すグラフである。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。図面全体において、同一の構成要素には同一の符号を付している。

図２は、本発明の実施形態に係る溝加工装置１００の概略構成を示す斜視図である。溝加工装置１００は、加工対象物である鋼板２０の表面にレーザにより、鋼板２０の幅方向に延在する溝を長手方向に周期的に形成する装置である。鋼板２０は、例えば、周知の方向性電磁鋼板材料からなる。溝加工装置１００は、例えば、鋼板２０の表面に形成する溝の長さ及び位置に基づいて鋼板２０の幅方向（走査方向）における位置が設定されるとともに、溝加工装置１００の寸法に基づいて、長手方向（例えば、鋼板２０の圧延方向）における位置が設定されている。

通板装置３０は、圧延された鋼板２０を長手方向に沿って通板する。

溝加工装置１００は、図２に示すように、ポリゴンミラー１０と、光源装置１１と、コリメータ１１Ａと、集光レンズ１２と、モータ１３と、センサ１４と、制御部１５とを備えている。

ポリゴンミラー１０は、例えば正多角柱状をなし、正多角柱を構成する複数の側面に、それぞれ、複数の（Ｎ枚の）平面鏡が設けられている。ポリゴンミラー１０の平面鏡に対し、光源装置１１からコリメータ１１Ａを介してレーザビームＬＢが一方向（水平方向）に入射し、平面鏡で反射される。

ポリゴンミラー１０は、モータ１３からの駆動によって回転軸Ｏ１周りに回転可能であり、ポリゴンミラー１０の回転角度に応じて、平面鏡に対するレーザビームＬＢの入射角が順次変化することにより、レーザビームＬＢの反射方向が順次変化し、鋼板２０の幅方向に走査することができる。

なお、図１Ａ、図１Ｂ、図３及び図４では、ポリゴンミラー１０が八枚の平面鏡を有する例を示しているが、ポリゴンミラー１０を構成する平面鏡の数は特に限定されない。

光源装置１１は、制御部１５の制御のもとで、所定の照射方式（例えば、連続照射方式又はパルス照射方式）でレーザビームを出力する。

コリメータ１１Ａは、光源装置１１から光ファイバケーブルを介して出力されたレーザビームＬＢの半径を調整し、調整後のレーザビームＬＢを出力する。レーザビームＬＢは、所定の半径φのレーザ径を有しており、当該レーザ径は円形をなしているが、楕円形であってもよい。その場合、コリメータ１１Ａとポリゴンミラー１０の間に円柱レンズ又は円柱ミラーを挿入して一軸（例えば走査方向）のビーム半径を変更することにより、集光形状を楕円にすることができる。

集光レンズ１２は、ポリゴンミラー１０から反射されたレーザビームＬＢの光路に設けられており、焦点距離ｆの集光光学系を構成する。ポリゴンミラー１０から反射されたレーザビームＬＢが集光レンズ１２を介して鋼板２０の表面に集光されることで、鋼板２０の表面に溝Ｕが形成される。図２において符号Ｐは、隣接する溝Ｕ間のピッチを示している。

モータ１３は、ポリゴンミラー１０と連結されており、制御部１５の制御のもとで、ポリゴンミラー１０を回転駆動する。また、モータ１３は、制御部１５の制御のもとで、ポリゴンミラー１０の回転速度を変えることが可能である。

センサ１４は、モータ１３の駆動軸と連結されており、モータ１３によって回転するポリゴンミラー１０の回転角度を検出し、検出した回転角度を示す信号（以下、回転角度信号という。）を制御部１５に出力する。

制御部１５は、プロセッサからなり、光源装置１１、モータ１３、センサ１４、及び通板装置３０と接続されている。制御部１５は、センサ１４から出力された回転角度信号に応じて、光源装置１１が出力するレーザビームＬＢのパワーのオンとオフを制御する。制御部１５によるレーザビームＬＢのパワー制御については後述する（図４及び図５参照）。

また、制御部１５は、通板装置３０から速度信号の入力を受けるとともに、モータ１３に対してポリゴンミラー１０の回転駆動を指示する信号を出力する。さらに、制御部１５は、モータ１３に対してポリゴンミラー１０の回転速度を指示する信号を出力する。

レーザビームＬＢを鋼板２０の表面に照射して溝を形成する溝加工方法では、地鉄を溶融除去して溝を形成するため、溝を深くすると、表面の溶融突起の発生確率が高くなる。このため、溝加工装置１００は、溶融物を吹き飛ばすためのアシストガスを噴射する供給ノズル（図示せず）を備えるようにしてもよい。

次に、図３を参照して、ポリゴンミラー１０の回転角度について説明する。
本実施形態において、ポリゴンミラー１０の回転角度θ（°）は、ポリゴンミラー１０を構成するＮ枚の平面鏡のうちの一枚の平面鏡１０１上の基準位置に対する中心角によって定義するものとする。

図３に示すように、ポリゴンミラー１０の回転軸Ｏ１から平面鏡１０１に垂線ＰＬを下した位置を基準位置（θ＝０°）とする。ポリゴンミラー１０の回転角度θは、基準位置（θ＝０°）に対して、入射されたレーザビームＬＢの中心ＬＢｃの位置のなす角度（中心角）である。図３において、基準位置（θ＝０°；垂線ＰＬ）に対して反時計回りの角度を正の角度としている。

一枚の平面鏡１０１における基準位置（θ＝０°）と、隣接する平面鏡との境目とのなす角度θ０は１８０°／Ｎである。

ポリゴンミラー１０が回転角度θ＝２×（ｎ−１）×θ０のとき（ｎ＝１、２、…、Ｎ）、平面鏡から反射されたレーザビームＬＢは、鉛直方向（鋼板２０の表面に対して垂直な方向）に照射される。

本実施形態において、ポリゴンミラー１０に入射するレーザビームＬＢが、ポリゴンミラー１０の一面（一枚の平面鏡）に収まる最大の角度を臨界角θｃと定義する。すなわち、臨界角θｃは、レーザビームＬＢがポリゴンミラー１０の隣接する二枚の平面鏡にまたがった角部で分割されることなく一枚の平面鏡で全反射されるときに、レーザビームＬＢの中心ＬＢｃが位置する最大の角度である。ポリゴンミラー１０の外接円Ｃ１の半径（外接半径）をＲ、ポリゴンミラー１０に入射されるレーザビームＬＢの半径をφとすると、臨界角θｃは式（１）のように定義される。
θｃ＝ｓｉｎ^−１［（Ｒ×ｓｉｎθ０−φ）／Ｒ］ …（１）

次に、図４及び図５を参照して、制御部１５によるレーザビームＬＢのパワー制御について説明する。

制御部１５は、センサ１４から入力された回転角度信号からポリゴンミラー１０の回転角度θを求め、回転角度θに応じて、光源装置１１が出力するレーザビームＬＢのパワーのオンとオフを制御する。

具体的には、制御部１５は、回転角度θが式（２）で示す範囲では、光源装置１１に対してレーザビームＬＢのパワーをオフにするよう指示信号を出力し、回転角度θが式（２）の範囲外では、光源装置１１に対してレーザビームＬＢのパワーをオンにするよう指示信号を出力する。
２×（ｎ−１）×θ０＋θｃ ≦ θ ≦ ２×ｎ×θ０−θｃ …（２）
ここで、ｎ＝１、２、…、Ｎ、０°≦θ≦３６０°である。

すなわち、センサ１４により、レーザビームＬＢがポリゴンミラー１０の隣接する二面にまたがって入射されているときの回転角度（式（２）の範囲の回転角度）が検出されると、制御部１５は、光源装置１１に対してレーザビームＬＢのパワーをオフにするよう指示信号を出力する。一方、センサ１４により、レーザビームＬＢがポリゴンミラー１０の一面に収まるように入射されているときの回転角度（式（２）の範囲外の回転角度）が検出されると、制御部１５は、光源装置１１に対してレーザビームＬＢのパワーをオンにするよう指示信号を出力する。

例えば、図４に示すように、ポリゴンミラー１０が時計回りに回転するとき、光源装置１１からのレーザビームＬＢのパワーは、θ＝０ではオン状態であるが、回転によってθ＝＋θｃに達するとオフ状態に切り替わる。さらに回転しても、θ＝θ０ではオフ状態が継続しており、その後、θ＝２θ０−θｃに達すると、オフ状態が終了し、オン状態に切り替わる。

なお、ここでは、レーザビームＬＢがポリゴンミラー１０の隣接する二面にまたがって入射されている場合にのみ、レーザビームＬＢのパワーをオフにしているが、オンとオフの切り替え時間や動作のばらつき等を考慮して、オフの時間にマージンを持たせ、若干長くオフにしておくことも可能である。すなわち、レーザビームＬＢがポリゴンミラー１０の隣接する二面にまたがって入射されている場合に加えて、オフの時間を、切り替え時間等分だけ時間を長くしておき、溝加工装置１００の動作時におけるその他の時間においては、オンにするよう制御するようにしても良い。

次に、図５を参照して、レーザビームＬＢのパワー制御の一例を説明する。本実施例で用いる溝加工装置１００の仕様は以下のとおりである：
レーザビームＬＢの半径φ：６ｍｍ；
ポリゴンミラー１０を構成する平面鏡の数Ｎ：８；
外接半径Ｒ：１４０ｍｍ；
レーザビームＬＢのパワー：１０００Ｗ．
これにより、θ０＝２２．５°、臨界角θｃ＝１９．９°となる。

式（２）より、レーザビームＬＢのパワーがオフに設定されるときの回転角度θは以下のとおりである：
19.9〜25.1； 64.9〜70.1； 109.9〜115.1； 154.9〜160.1； 199.9〜205.1； 244.9〜250.1； 289.9〜295.1； 334.9〜340.1.

このとき、回転角度θと、光源装置１１が出力するレーザビームＬＢのパワー（レーザパワー）との関係は、図５に示すように、式（２）の範囲にある回転角度θではレーザパワーがゼロＷ（オフ）となり、その範囲外の回転角度θではレーザパワーが１０００Ｗ（オン）となる。

以上により、本実施形態では、ポリゴンミラー１０の回転角度θに応じてレーザビームＬＢのパワーをオンオフ制御するようにした。具体的には、ポリゴンミラー１０の回転角度θが式（２）の範囲にある間、すなわち、レーザビームＬＢがポリゴンミラー１０の隣接する二面にまたがって入射される間、レーザビームＬＢのパワーをオフにして、鋼板２０の表面に溝Ｕを形成しないようにした。これにより、従来のように、走査方向における溝Ｕの端部が浅くなるようなことがなく、均一な溝加工及び溝深さを実現することができ、鉄損特性の優れた製品を生産することができる。また、マスク等の遮蔽板でビームダンプする必要がなくなるので、光学部品を汚染することがなくなる。

なお、本実施形態における記述内容は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、溝加工装置１００を構成する集光光学系として、集光レンズ１２に代えてミラーを採用してもよい。

１０ ポリゴンミラー
１１ 光源装置
１１Ａ コリメータ
１２ 集光レンズ
１３ モータ
１４ センサ
１５ 制御部
２０ 鋼板
１００ 溝加工装置
１０１ 平面鏡
Ｃ１ 外接円
ＬＢ レーザビーム
Ｏ１ 回転軸
ＰＬ 垂線

Claims (3)

1. レーザビームによって対象物の表面に溝を形成する溝加工装置であって、
   前記レーザビームを出力する光源装置と、
   前記光源装置から出力された前記レーザビームを反射するポリゴンミラーと、
   前記ポリゴンミラーから反射された前記レーザビームの光路に設けられ、当該レーザビームを前記対象物の表面に集光させる集光光学系と、
   前記ポリゴンミラーに連結され、前記ポリゴンミラーを回転させるモータと、
   前記モータによって回転する前記ポリゴンミラーの回転角度を検出するセンサと、
   前記センサによって検出された前記ポリゴンミラーの回転角度に応じて、前記光源装置が出力する前記レーザビームのパワーのオンとオフを制御する制御部と、
   を備える、溝加工装置。
2. 前記制御部は、前記溝加工装置の動作時において、
   前記センサにより、少なくとも前記レーザビームが前記ポリゴンミラーの隣接する二面にまたがって入射されているときの回転角度が検出された場合には、前記光源装置に対して前記レーザビームのパワーをオフにするよう制御し、
   当該制御により、前記レーザビームのパワーがオフになっている場合以外には、前記光源装置に対して前記レーザビームのパワーをオンにするよう制御する、請求項１に記載の溝加工装置。
3. レーザビームによって対象物の表面に溝を形成する溝加工方法であって、
   光源装置により、前記レーザビームを出力するステップと、
   モータによって回転するポリゴンミラーにより、前記光源装置から出力された前記レーザビームを反射させるステップと、
   前記ポリゴンミラーから反射された前記レーザビームを集光光学系により前記対象物の表面に集光させるステップと、
   センサにより、前記ポリゴンミラーの回転角度を検出するステップと、
   前記センサによって検出された前記ポリゴンミラーの回転角度に応じて、制御部により、前記光源装置が出力する前記レーザビームのパワーのオンとオフを制御するステップと、
   を備える、溝加工方法。
   
   
   

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