JP2023012059A - Laser beam machining apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、レーザ加工装置に関する。 The present invention relates to a laser processing apparatus.
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。
An electromagnetic steel sheet, which is a type of steel sheet, is passed along a conveying line at high speed, and a high-power laser beam is irradiated onto the surface of the electromagnetic steel sheet to scan it linearly in a direction almost perpendicular to the sheet threading direction. Therefore, a so-called magnetic domain control process has been put into practical use, in which linear grooves and strains are formed at regular intervals to reduce the core loss of the electrical steel sheet.
Magnetic steel sheets that have undergone the magnetic domain control process are used as materials for iron cores of transformers, etc., and contribute to the improvement of power loss. In particular, the magnetic domain control material in which linear grooves are formed by laser has the characteristic that the magnetic domain control effect is maintained even after the heat treatment in the wound core manufacturing process.
However, since the magnetic steel sheet is bent in the manufacturing process of the wound iron core, if the direction of the bending line during bending matches the direction of the linear grooves, the stress concentrates on the linear grooves. , the electromagnetic steel sheet may break.
The direction of the bending line when bending the electromagnetic steel sheet, that is, the bending direction is generally the width direction of the electromagnetic steel sheet. Adjustment is desirable. For example, it is considered desirable to incline 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, in
Further, in
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。
If the steel plate support roll is tilted as described in
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。
By the way, high-speed grooving on a steel plate surface using a laser beam requires a high laser power density. It is necessary to irradiate the surface of the steel plate and scan it. In general, an f-theta lens or a parabolic mirror is used as a laser focusing element, but when a high-output laser is applied to a lens that is a transmission element, even a small amount of heat generated by absorption or contamination of the lens causes changes in the refractive index and thermal expansion. occurs, resulting in a problem of degraded light-gathering performance. It is said that the deterioration of the light-gathering performance of the lens is due to the thermal lens effect. There's a problem.
On the other hand, the collecting mirror can be easily cooled by using a metal element, and the deterioration of the light collecting property is small, which is convenient for the above purpose. In addition, to meet the demand for condensing light into a small beam spot diameter, it is necessary to use a condensing element with a short focal length. On the other hand, the allowable fluctuation width may be ±0.5 mm or less.
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 threaded at high speed, in which case the steel sheet is threaded over a plurality of rotating support rolls. At this time, the steel plate vibrates between the support rolls due to factors such as changes in the tension of the steel plate and changes in the strength of the steel plate. occurs, resulting in deterioration of workability.
Methods for suppressing the vibration of the steel plate include, for example, adjusting the parallelism of the support rolls, the spacing, the tension between the rolls, etc. By using such methods, it is possible to suppress the vibration to some extent. However, it is difficult to sufficiently adjust all of these, and there is a limit to suppressing 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 of suppressing vibration is to force the steel plate through the support rolls (that is, to apply tension to the steel plate so that the steel plate is pressed against the support roll so as to be in close contact with the apex of the support roll. A method of irradiating the steel sheet with a laser beam at a position where the steel sheet passes over the support rolls is conceivable. In this method, since the steel plate follows the curved surface of the apex portion of the roll surface, the steel plate hardly vibrates. However, since the rotation axis direction of the support rolls coincides with the width direction of the steel sheet, it is necessary to set a constant angle between the scanning direction of the laser beam and the width direction of the steel sheet, as described above. In this case, due to the influence of the curved surface of the support roll, the distance from the condensing element to the steel plate changes from the center position on the scanning path toward the end position on the scanning path. Even if the laser beam is focused at the position, there is a problem that the defocus of the laser beam becomes large on the end side of the laser beam scanning line, degrading the workability.
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 devised in view of the above-mentioned problems. An object of the present invention is to provide a laser processing apparatus capable of forming a linear groove portion or a linear distorted portion having a stable width and depth in a steel plate while suppressing defocus as much as possible.
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 problems, according to one aspect of the present invention, the surface of a steel sheet that is passed while being biased by support rolls is scanned with a laser beam having a circular or elliptical beam spot diameter. A laser processing apparatus for forming a linear groove portion or a linear distorted portion in the steel plate, comprising a laser beam emitting portion for emitting a laser beam, a scanning mirror for reflecting the laser beam, and the scanning mirror a short-axis condensing mirror that reflects the reflected laser beam and converges in a direction of a first axis corresponding to the minor axis of the beam spot diameter; and a focus position adjusting mirror for irradiating the surface of the steel plate, wherein 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. Thus, the surface of the steel plate is scanned with the laser beam, and the focal position adjusting mirror shifts the laser beam from the focal length of the short-axis condensing mirror so that the laser beam is reflected by the short-axis condensing mirror. The focal length, which is the distance obtained by subtracting the distance between the point where the laser beam is reflected by the focus adjustment mirror and the point where the laser beam is reflected by the focus adjustment mirror, and the distance from the point where the laser beam is reflected by the focus adjustment mirror A laser processing apparatus is provided that has a curvature that focuses light to a point on the surface of the steel sheet that is equal to the distance.
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。 Further, in the laser processing apparatus, a long-axis condensing mirror (Mc) that reflects the laser beam emitted from the laser beam emitting unit and converges the light in a direction of a second axis corresponding to the long axis of the beam spot. , and the scanning mirror (Mp) can adopt a configuration in which the laser beam reflected by the long-axis collecting mirror (Mc) is reflected.
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集光位置ミラー(Ms)への入射する際の入射角で規定される、前記集光位置調整ミラー(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、(S2,Z2)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、
(S4,Z4)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。
Further, in the laser processing apparatus, the focusing position adjusting mirror (Ms ) can adopt the configuration represented by the following equations (1) to (3).
(S 2 , Z 2 ) are the coordinates on the plane (SZ plane) perpendicular to the first axis of the point (A2′) where the laser beam is reflected by the focus position adjusting mirror (Ms). can be,
(S 4 , Z 4 ) is the surface of the steel plate where the condensing focal length (G3′) is equal to the distance from the point (A2′) where the laser beam is reflected by the focus position adjusting mirror (Ms). coordinates of a point on a plane perpendicular to the first axis;
α1 is an angle of incidence when the laser beam is incident on the focus position adjusting mirror (Ms) on a plane perpendicular to the first axis;
β is an angle of incidence when the laser beam is incident on the focus position adjusting mirror (Ms) on a plane perpendicular to the second axis;
θso is a reflection angle when the laser beam is reflected by a plane mirror (M0) having no curvature at the position of the focus position adjusting mirror (Ms) on a plane perpendicular to the first axis,
θ's is a reflection angle when the laser beam is reflected by the focus position adjusting mirror (Ms) on a plane perpendicular to the first axis.
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。
Moreover, in the laser processing apparatus, it is preferable that the reflection surface of the short-axis condensing mirror (ML) is a linear paraboloid.
Moreover, in the laser processing apparatus, the scanning mirror (Mp) is preferably a rotating polygon mirror or a galvanomirror.
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, it is possible to form a linear groove portion or a linear distorted portion by scanning a steel sheet that is forced by a support roll while being focused with a laser beam, thereby stably forming the linear groove portion or the linear distorted portion. It is possible to form linear grooves or linear distorted portions.
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。
Preferred embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
In the drawings used in the following description, in order to make the features easier to understand, there are cases where the features are emphasized, such as by enlarging them for the sake of convenience.
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 outline of a grain-oriented electrical steel sheet, which is an object to be processed in this embodiment, will be described.
<Overview of grain-oriented electrical steel sheet>
A typical grain oriented electrical steel sheet is an electrical steel sheet in which the axis of easy magnetization (the <100> direction of a body-centered cubic crystal) of the grains of the steel sheet is substantially aligned in the rolling direction of the steel sheet. A grain-oriented electrical steel sheet has a structure in which a plurality of magnetic domains having magnetic poles oriented in the rolling direction are arranged with domain walls interposed therebetween. Since such a grain-oriented electrical steel sheet is easily magnetized in the rolling direction, it is suitable as a material for the iron core of a transformer in which the magnetic lines of force flow in a substantially 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. The grain-oriented electrical steel sheet is suitable as a material for the iron core of a wound transformer manufactured by winding steel sheets in multiple layers and then forming the iron core into a shape (for example, a quadrangular prism shape having a hollow portion). used.
A grain-oriented electrical steel sheet has, for example, a steel sheet body (base iron), glass coatings formed on both front and back surfaces of the steel sheet body, and insulating coatings formed on the glass coating. The steel plate 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 grain-oriented electrical steel sheets, in order to reduce iron loss (that is, for magnetic domain control), the surface of the steel sheet is irradiated with a laser beam, and the rolling direction of the steel sheet (that is, the conveying direction during manufacture, the length of the steel sheet, By scanning in the direction intersecting the rolling direction of the steel sheet, linear grooves or linear distorted portions extending in the direction intersecting with the rolling direction of the steel sheet are formed. A plurality of these grooves or distorted portions are formed on the surface of the grain-oriented electrical steel sheet at predetermined intervals in the rolling direction.
In this embodiment, in order to control the magnetic domain of the grain-oriented electrical steel sheet, the surface of the grain-oriented electrical steel sheet is linearly scanned and irradiated with a laser beam to form linear grooves or linear strained portions at regular intervals. will be explained. In the following description, the grain-oriented electrical steel sheet may be simply described as a 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 provided with a
In this embodiment, the
The
That is, the
The laser beam emitting unit LL includes a known laser light source LM, a
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。
For the laser light source LM, it is preferable to use a fiber laser or a disk laser excellent in fine light-gathering characteristics from the viewpoint of forming a narrow groove. can be selected, and for example, a continuous wave laser or a pulse laser may be used. The wavelength of the fiber laser or disk laser is in the near-ultraviolet region to the near-infrared region (for example, 1 μm band), and the laser beam LB can be transmitted with high efficiency through an optical fiber. 4, the
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 by irradiating the steel plate, it can scatter the steel plate to form a groove portion or apply thermal strain to the steel plate to form a distorted portion. The laser beam LB already has a circular or elliptical beam spot at the time it is emitted from the
Therefore, when the shape of the beam spot just before hitting the steel plate ES is elliptical, the directions of the minor axis and the major axis that intersect perpendicularly through the center can be defined. Then, the
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, when the shape of the beam spot just before hitting the steel plate ES is a perfect circle, there is no distinction between short and long for each axis. be able to. Then, the
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。
Thus, the direction in which the
A direction parallel to the second axis is referred to as the S direction, and a straight line passing through the surface of the steel plate ES at the top portion of the support roll SR and parallel to the second axis (that is, parallel to the S direction) is referred to as the S axis.
The
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 to be axially controlled, is cold-rolled into a belt shape, and is passed while being biased by the support rolls SR constituting a part of the conveying device. That is, the steel plate ES receives tension from the conveying device, and is pressed so as to be in close contact with the upper surface of the support roll SR in the vicinity of the vertex of the curved surface formed by the support roll SR. It is bent in a mountain shape and threaded. Therefore, since the steel plate ES is restrained near the vertex of the support roll SR, the steel plate ES is 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。
As an example, FIG. 1 depicts a state in which a steel plate ES is being passed along the upper surface side of a support roll SR while being curved into a mountain shape having a gentle slope.
In this embodiment, the surface of the steel plate ES near the vertex of the support roll SR is irradiated with a laser beam LB through various mirrors while being focused to a minute elliptical beam spot BS of several tens of μm level. By scanning the LB in the direction of the second axis, linear grooves or linear strained portions are formed on the surface of the steel plate ES. Although the beam spot diameter is about several tens of μm, the beam spot BS is enlarged and displayed in FIG. 1 for illustration.
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 threaded with its rolling direction perpendicular to the direction of the rotation axes of the support rolls SR. be done. The steel plate ES is threaded with its width direction aligned with the direction of the rotation axis of the support roll SR.
As shown in FIG. 1, in the present invention, for the sake of convenience, the width direction of the steel sheet ES positioned at the vertex of the support roll SR is defined as the X direction. The direction along the longitudinal direction is defined as the Y direction. Further, the direction of a straight line perpendicular to the X direction and the Y direction and connecting the center of the reflection position of the focus position adjusting mirror Ms, which will be described later, and the steel plate ES positioned at the vertex 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 vertically irradiated from the focal position adjusting mirror Ms toward the steel plate ES, the Z direction is high. It means the horizontal 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 condensing mirror Mc reflects the laser beam LB emitted from the laser beam emitting part LL, and condenses the light in the direction of the second axis corresponding to the long axis of the beam spot immediately before the steel plate ES is irradiated. is. Thus, the component of the laser beam LB in the direction of the second axis is focused at a point equidistant from the long axis collector mirror Mc (regardless of the presence of mirrors in the optical path). The laser beam LB reflected by the long-axis condensing mirror Mc travels toward a plane mirror MF, which will be described later.
The plane mirror MF is a mirror that reflects the laser beam LB reflected by the long-axis focusing mirror Mc and changes the traveling direction of the laser beam LB. The plane mirror MF may not have the function of condensing the laser beam LB. The laser beam LB reflected by the plane mirror MF travels toward 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. But also. The scanning mirror Mp has the function of scanning the surface of the steel plate with the laser beam LB by changing the direction of reflection of the laser beam LB and changing the position at which the surface of the steel plate ES is irradiated with the laser beam LB. ing.
Therefore, more specifically, the scanning mirror Mp is realized by a polygon mirror, a galvanometer mirror, or the like, and the polygon mirror is rotated or the angle of the galvanometer mirror is changed moment by moment in accordance with the irradiation of the laser beam LB. , the direction in which the laser beam LB is irradiated is changed. The laser beam LB reflected by the scanning mirror Mp travels to a short-axis collecting 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 condensing mirror ML is a mirror that reflects the laser beam LB reflected by the scanning mirror Mp and converges the light in the direction of the first axis corresponding to the short axis of the beam spot immediately before the steel plate ES is irradiated. Thus, the component of the laser beam LB in the direction of the first axis is focused at a point equidistant from the short axis collector mirror ML (regardless of the presence of mirrors in the optical path). The laser beam LB reflected by the short-axis condensing mirror ML travels toward a focal position adjusting mirror Ms, which will be described later.
The focus position adjusting mirror Ms is a mirror that reflects the laser beam LB reflected by the short-axis condensing mirror ML and irradiates the surface of the steel plate ES. The direction in which the laser beam LB is reflected by the scanning mirror Mp changes with time, and the focus position adjusting mirror Ms reflects the laser beam LB, whose incident position has changed, toward the steel plate ES. , the position of the surface of the steel plate ES irradiated with the laser beam LB changes with time. As a result, the surface of the steel plate 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 adjusting mirror Ms adjusts the focal position of the laser beam LB from the focal length F_0 of the short-axis condensing mirror ML to the point (A1′) where the laser beam LB is reflected by the short-axis condensing mirror ML. The focal length (G3'), which is the distance obtained by subtracting the distance between the point (A2') reflected by the mirror Ms, and the point (A2') where the laser beam LB is reflected by the focus position adjustment mirror Ms. ) has a curvature that focuses the light to a point on the surface of the steel plate that is equal to the distance from (see FIG. 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 the laser beam LB is used to form a linear groove portion or a linear distorted portion, it is necessary to condense the laser beam LB in order to increase the energy density of the laser beam LB. Affects the workability of grooves or linear strained parts.
Therefore, on the surface of the steel plate ES, it is necessary to condense the light in the first axis direction. The light is condensed at a point on the projection line of the linear groove or linear strained portion (support roll SR point on the S-axis passing through the surface of the steel plate ES located at the vertex of ), and is out of the surface of the steel plate ES conveyed in a curved manner, and cannot be focused on the surface of the steel plate ES.
Therefore, by using the focus position adjusting mirror Ms, the direction of the laser beam LB can be changed to match the focal point, which is off the surface of the steel plate ES, with the position on the steel plate. As a result, it becomes possible to stably form a linear groove portion or a linear distorted portion.
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, with reference to FIG. 1, the relationship between the components of the
In the embodiment shown in FIG. 1, a case is shown in which a polygon mirror is used as an example of the scanning mirror Mp. placed above the department.
As shown in FIG. 1, the polygon mirror is in the shape of a flat, regular polygonal prism which is a regular polygonal shape when viewed from the direction of the
The outer peripheral surface of the polygon mirror is formed by a plurality of rectangular reflecting surfaces 3 (each forming a regular polygonal surface of the polygon mirror) and
By rotating the polygon mirror around the
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, a long-axis condensing mirror Mc and a plane mirror MF are installed so as to be vertically positioned on the left front side (-X direction side) of the polygon mirror shown in FIG. The long-axis condensing mirror Mc is arranged obliquely downward with its reflecting
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
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 the
The arrangement of the long-axis light-collecting mirror Mc and the plane mirror MF is not limited to the example shown in FIG. can be For example, the long-axis focusing mirror Mc and the plane mirror MF may be arranged in the left-right direction, or may be arranged in the oblique up-down direction or in the oblique 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
As shown in FIG. 1, the focal position adjusting mirror Ms is installed near and to the left of the short-axis light collecting mirror ML, and the reflecting
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 perfect circular or elliptical laser spot BS on the surface of the steel plate ES. Then, the laser beam LB linearly scans the steel plate ES in the S direction, which is inclined at a scanning angle (θc) of about 10° with respect to the X direction, and linearly scans the surface of the steel plate ES along the S direction. Form grooves or distortions.
The reason why the grooves or distorted parts are formed in the steel plate ES at a scanning angle of about 10° is that, as described above, when the steel plate ES is used to manufacture the iron core of the wound transformer, the directionality is improved by forming the grooves. This is to prevent breakage of the steel sheet ES while improving the magnetic properties of the electrical steel sheet. The scanning angle may be smaller than 10°, but if the scanning angle is close to 0°, it may cause breakage during the manufacture of the iron core, so an angle close to 0° should be avoided. desirable.
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 just before the steel plate ES is irradiated is about several tens of micrometers, but FIG. 1 shows the beam spot BS in an enlarged manner. The laser beam LB is scanned along the second axis of the beam spot BS (that is, along the S direction).
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 formed on the surface of the steel plate ES is determined by accurately focusing the first axis of the laser beam LB. can be processed accurately.
Condensing of the laser spot BS in the first axis direction can be performed by the short axis condensing mirror ML, and condensing of the laser spot BS in the second axis direction can be performed by the long axis condensing mirror Mc. Even if there are some fluctuations in the condensing of the laser spot BS in the major axis direction, there is little effect on the accuracy of the grooves or distorted parts formed in the steel plate 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. It may be about 5 to 10 times the diameter. Therefore, the condensing focal length of the focus position adjusting mirror Ms is 5 to 10 times the condensing focal length of the short-axis condensing mirror ML, and the workable focal depth is similarly long. Therefore, even if some defocusing occurs on the major axis side of the laser spot BS, the influence on workability is reduced.
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 focusing mirror ML is formed in a pentahedron-shaped
Of the five
Also, the reflecting
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 focus position adjusting mirror Ms has a rectangular prism-shaped
As shown in FIG. 1, the special reflection
As will be described later, the special reflecting
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。
The laser beam LB reflected by the polygon mirror can be scanned within a predetermined range by rotating the polygon mirror around the
In FIG. 1, the half angle of the reflection angle range when the laser beam LB is reflected by the rotation of the polygon mirror is indicated as the reflection angle (reflection angle half 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 reflecting
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 reflecting
As a premise for the explanation, it is assumed that the scanning center of the laser beam LB is positioned on the surface of the steel plate ES at the vertex portion of the support roll SR. Here, the width direction of the steel plate ES or the rotation axis direction of the support roll SR is the X direction, the threading direction is the Y direction, and the normal direction of the XY plane is the center of the reflection position of the focus position adjustment mirror Ms and the support roll SR. can be defined as the Z direction, and the scanning direction (that is, the direction of the second axis) as the S direction. The XYZ directions are orthogonal to each other, and the angle formed by the S direction and the X direction can be defined as the scanning angle θc. A reflection angle (reflection angle half 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 produce a thermal lens effect even when a high-power laser is used is used as the condensing optical element. The condensing shape of the laser beam LB (the shape of the beam spot BS) is a fine circular or elliptical shape having the second axis in the direction coinciding with the scanning direction and the first axis in the vertical direction. . The reason why the elliptical shape is used is that the workability is superior to that of a perfectly circular condensing shape. In addition, it is the convergence in the short axis direction of the elliptical shape that particularly affects the workability. It is desirable to perform laser processing. However, it is possible to implement the present embodiment even if the shape is a perfect circle instead of the elliptical shape.
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。
In order to collect light in this manner, a major axis condensing mirror Mc and a minor axis condensing mirror ML are used, and the second axis and the first axis corresponding to the major axis direction and the minor axis direction of the elliptical converging light are aligned. , are collected by independent linear parabolic mirrors.
A linear parabolic mirror is a paraboloid in one direction that reflects and converges a beam in a direction determined by the shape of the paraboloid. A mirror that reflects a laser beam with a symmetrical angle of incidence and does not have a focusing function. A linear curved mirror has a specific curved surface in one direction, reflects and condenses the laser beam in a direction determined by the curved surface of the mirror at the incident position, and is flat in the orthogonal direction and symmetrical to the normal to the flat surface. It can be explained that it is a mirror that reflects a laser beam at an incident reflection angle and does not have a 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 where light is condensed by the laser processing device will be described with reference to FIG.
FIG. 3 shows a laser beam of a reference example in which the
In the
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。
FIG. 3 shows an SZ plan view of the trajectory of the laser beam LB scanned by the scanning mirror Mp. The steel plate ES extends along the curved surface of the top portion of the support roll SR, and FIG. 3 simply shows the surface of the support roll SR as the steel plate surface.
This SZ plan view is a plane formed by the S-direction axis and the Z-direction axis passing through the surface of the steel plate ES positioned at the vertex portion of the support roll SR, that is, the steel plate positioned at the vertex portion of the support roll SR. A plane perpendicular to the first axis through the surface of ES. A point on the surface of the steel plate ES located at the vertex portion of the support roll SR is set as the origin, and the origin is arranged 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 is actually reflected in three-dimensional directions as shown in FIG. 1, in FIG. to the steel plate ES are shown in a linear arrangement relationship. Therefore, it can be said that FIG. 3 is a diagram obtained by projecting the trajectory of the laser beam LB passing through the scanning mirror Mp, the short-axis collecting mirror ML, and the plane mirror M0 onto the SZ plane.
Let A0 be the reflection point on the reflecting
In this case, assuming that the focal length of the short-axis collecting 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)θs0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)θs0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 where the laser beam LB is reflected at an arbitrary reflection angle (virtual reflection angle) θs 0 from the reflection point A0, an arbitrary reflection point of the laser beam LB on the short-axis condensing mirror ML is A1′, and the virtual reflection on the plane mirror M0 is Let the point be A2'. Further, a point where the laser beam LB is focused on the way to the surface of the steel plate ES is defined as A3′, and a reflection point A0 to a reflection point A1′, a reflection point A1′ to a virtual reflection point A2′, and a virtual reflection point A2′ to the laser Let the distances between the focal positions A3' of the beam LB be G1', G2', and G3', respectively.
In this case, the focal position A3′ is the focal point of the short-axis light collecting mirror ML at the reflection angle (virtual reflection angle) θs0 as described above, but the focus of the short-axis light collecting mirror ML at an arbitrary reflection angle θs is , on the S axis (Z=0). This is derived from the following calculations.
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。 Condensing focal length of the short-axis light collecting mirror ML when the laser beam LB is incident at a predetermined incident angle θs in a direction (plane perpendicular to the first axis) perpendicular to the parabolic curve of the short-axis light collecting mirror ML : F(θs) can be expressed by the following equation (4).
(4)式において、F0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 equation (4), F 0 indicates the focal length of the short-axis collecting mirror ML, which coincides with the focal length at the scanning center "θs=0". Therefore, the focal length of the short-axis collecting mirror ML increases as the angle of reflection θs increases. On the other hand, the propagation distance (G2'+G3') from the short-axis focusing mirror ML to the steel plate ES also depends on the reflection angle .theta.s and can be expressed by the following equation (5).
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d0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 angle of reflection θs, the focal position is positioned on the S axis (Z=0) over the entire width of the scanning line. For reference, the diameter d0 of the focused beam can be expressed by the following equation (6).
(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 laser-specific constant determined by the quality of the laser beam LB, D is the diameter of the laser beam incident on the short-axis focusing mirror ML in the first axis direction, and λ is the laser wavelength.
From the equation (6), F(θs) increases depending on the increase in the reflection angle θs. Therefore, as the reflection angle θs increases, the diameter of the laser beam at the focal point increases. is 20 degrees, the beam diameter expansion ratio at the scanning end is about 6% of the scanning center, and it is considered that there is almost no deterioration in workability.
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。
FIG. 2(A) is a developed view of the upper surface side of the support roll SR viewed from the XY plane, FIG. 2(B) is a developed view of the side surface side of the support roll SR viewed from the YZ plane, and FIG. It is the figure which expanded the top area|region of support roll SR in FIG.2(B).
From the XY plan view shown in FIG. 2(A), when the laser beam LB is scanned in the S direction at the scanning angle θc with the X direction, the point at which the laser beam LB reaches the surface of the steel plate ES is the support roll SR The separation distance Wy in the Y direction from the X axis (Y=0) forming the ridgeline of the top can be expressed as a function of S by the following equation (7).
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 plan views shown in FIGS. 2(B) and 2(C), the distance h(s) between the tangent line at the vertex of the support roll SR and the surface of the support roll SR is a function of S as shown in the following (8) (10) is derived.
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 center 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 plate ES) (Fig. 2 (B), Fig. 2 ( C)).
Therefore, when the scanning angle θc>0°, h(s) increases as S increases, that is, as the distance S from the scanning center increases. Therefore, when performing laser scanning irradiation at the vertex portion of the support roll SR, the focal point of the laser beam LB to be scanned is the tangential line of the vertex of the support roll SR. It will be done.
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 of the beam spot BS in the direction of the second axis (direction C) is larger than that in the direction of the first axis (direction L) of the beam spot BS. In grooving, the diameter dL of the second shaft is five to ten times as large as the diameter dc of the first shaft. Therefore, the condensing focal length of the long-axis condensing mirror Mc is 5 to 10 times longer than that of the short-axis condensing mirror ML, and the depth of focus that can be processed is approximately the same. does not affect gender.
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 certain specific A focus position adjusting mirror Ms having a special reflecting
The function of the focus position adjusting 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 (for example, a polygon mirror) in the
The steel plate ES extends along the curved surface of the top portion of the support roll SR, and the surface of the support roll SR is simply illustrated as the steel plate surface. The laser beam LB is actually three-dimensionally reflected as shown in FIG. 1, but for the sake of simplification, in FIG. is shown by a straight line. Therefore, it can be said that FIG. 4 is a diagram in which the trajectory of the laser beam LB passing through the scanning mirror Mp, the short-axis collecting mirror ML, and the focus position adjusting 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 focus position adjusting mirror Ms has curvature only in the direction parallel to the S direction, and is flat in the orthogonal direction. Therefore, it does not affect the condensing characteristics of the short-axis condensing mirror ML. That is, the point where the laser beam LB is reflected by the short-axis condensing mirror ML from the condensing focal length G3′ from the short-axis condensing mirror ML shown in FIG. A1′) and the point (A2′) where the laser beam LB is reflected by the focus position adjustment mirror Ms) is subtracted to obtain F(θs)=G3′, which does not change even in FIG. .
Therefore, from an arbitrary virtual reflection point A2' on the focus position adjusting mirror Ms to the surface point A4 shown in FIG. A special reflecting
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(S2、Z2)として、以下の(11)式と(12)式で表示できる。
Due to the presence of the special reflecting
Here, f(S, Z) can be expressed by the following equations (11) and (12) with the coordinates of the virtual reflection point A2′ as (S 2 , Z 2 ).
(11)式と(12)式より、任意の仮想反射角θs0についてS-Z平面上での交点座標A4(S4,Z4)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 the equations (11) and (12), the intersection coordinates A4 (S 4 , Z 4 ) on the SZ plane can be obtained for any virtual reflection angle θs 0 .
As an example, h(s) and f(S, Z) are plotted on the SZ plane (SZ coordinate plane) when the virtual reflection angle θs = 10° under the setting conditions shown in Table 1 below. FIG. 5 shows the result of obtaining the intersection coordinate A4.
As shown in FIG. 5, intersection coordinates A4 are obtained as (42.45, -0.27).
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’(S2、Z2)とA4(S4,Z4)から以下の(13)式で計算することができる。 Next, the effective angle of reflection θs′ after change is obtained. The effective angle of reflection θs′ after change can be calculated from the coordinates A2′ (S 2 , Z 2 ) and A4 (S 4 , Z 4 ) by the following equation (13).
ここで、Z2=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S2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θs0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 since S4 and Z4 are determined as intersections of equations (11) and (12) as described above, the effective angle of reflection θs′ after change is given by equation (13) is a function of S2 .
That is, the design value of the curved surface at an arbitrary S-direction position of the effective reflection angle θs' of the focus position adjusting mirror Ms can be obtained.
The curved surface of the special reflecting
As shown in FIG. 6, in order to change the virtual angle of reflection at the focal position adjusting mirror Ms from θs0 to the effective angle of reflection θs′, the normal to the special reflection
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θs0を0~20°まで変更した場合のS方向の位置とα1の関係を図7に示す。図7に示すように、S方向位置とα1の関係はほぼ比例関係となった。
Since the changed effective angle of reflection θs′ is a function of S as described above, it is possible to determine the normal angle at each position in the S direction on the special reflecting
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 the specific example. As shown in FIG. 7, the relationship between the S - direction position and α1 was 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α1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 reflection curved surface 10 of the focus position adjustment mirror Ms obtained as described above is the laser beam incident on the special reflection
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 FIG. 8, the focus position adjusting mirror Ms reflects the incident laser beam LB from the short-axis collecting mirror ML substantially vertically downward along the Z axis. Therefore, it is necessary to consider the incident reflection angle in the reflecting surface design (curved surface design) of the focal position adjusting 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α1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α2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 collecting mirror ML to the focus position adjusting mirror Ms is β on a plane perpendicular to the second axis.
When the laser beam LB is incident and reflected in the direction shown in FIG. 8 to the focus position adjusting mirror Ms having a radius of curvature in the S direction, the reflected beam has a radius of curvature obtained by multiplying the radius of curvature in the S direction by 1/cos β. reflected. Therefore, when the curved surface distribution of α1 shown in the above equation ( 14 ) is realized at the incident reflection angle β, the actual normal angle design value α2 of the focus position adjustment mirror Ms is given by the following equation ( 15) can be displayed with
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θs0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 reflecting
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α2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, it was possible to obtain the actual normal angle design value α2 of the focus position adjusting mirror Ms. If the curvature along the line is obtained and the special reflecting
By applying this focus position adjusting mirror Ms as shown in FIGS. 1 and 4, it is possible to accurately form linear grooves or linear distorted portions along the intended scanning direction on the steel plate ES. That is, since the focal position can be accurately positioned on the surface of the steel plate ES from one end to the other end in the scanning direction S, linear grooves or linear distorted portions 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 plate ES with the laser beam LB, the laser beam LB may be scanned so as to form a definite groove shape, or the distorted portion may be formed although the groove is not a definite groove in terms of shape. The laser beam LB may be scanned to configure. The target magnetic domain control may be performed as a grain-oriented electrical steel sheet by providing a distorted portion.
In the above description, the
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、CO2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。
Also, in the explanation using FIG. 1, the laser beam LB is assumed to be a fiber laser or a disk laser, but it is not limited to these. For example, it may be a CO2 laser.
Also, the rotating polygon mirror used as the scanning mirror Mp in the previous embodiment may be replaced with a
A
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)、θs0…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。
DESCRIPTION OF
Claims (5)
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。 By scanning the surface of a steel sheet that is passed through a support roll with a laser beam having a circular or elliptical beam spot, linear grooves or linear distorted portions are formed in the steel sheet. A laser processing device,
a laser beam emitting unit that emits a laser beam;
a scanning mirror that reflects the laser beam;
a short-axis collecting mirror that reflects the laser beam reflected by the scanning mirror and collects the light in a direction of a first axis corresponding to a short axis of the beam spot;
a focus position adjusting mirror that reflects the laser beam reflected by the short-axis focusing mirror and irradiates the surface of the steel plate;
has
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 sheet, thereby scanning the surface of the steel sheet with the laser beam,
The focus position adjustment mirror directs the laser beam to
The distance obtained by subtracting the distance between the point where the laser beam is reflected by the short-axis focusing mirror and the point where the laser beam is reflected by the focal position adjusting mirror from the focal length of the short-axis focusing mirror. and the distance from the point where the laser beam is reflected by the focal position adjusting mirror are equal to each other, and has a curvature for converging the laser beam at a point on the surface of the steel plate.
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 collecting mirror that reflects the laser beam emitted from the laser beam emitting unit and collects the light in a second axis direction corresponding to the long axis of the beam spot;
2. The laser processing apparatus according to claim 1, wherein said scanning mirror reflects said laser beam reflected by said long-axis collecting mirror.
なお、(S2,Z2)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、
(S4,Z4)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。
(S 2 , Z 2 ) are coordinates on a plane perpendicular to the first axis of the point at which the laser beam is reflected by the focus adjustment mirror;
(S 4 , Z 4 ) is perpendicular to the first axis of a point on the surface of the steel plate where the focal length and the distance from the point where the laser beam is reflected by the focus positioning mirror are equal; are the coordinates on the plane,
α1 is an angle of incidence when the laser beam is incident on the focus position adjusting mirror on a plane perpendicular to the first axis;
β is an angle of incidence when the laser beam is incident on the focus adjustment mirror in a plane perpendicular to the second axis;
θso is a reflection angle when the laser beam is reflected by a flat mirror having no curvature at the position of the focus position adjustment mirror on a plane perpendicular to the first axis;
θ's is a reflection angle when the laser beam is reflected by the focus position adjustment mirror on a plane perpendicular to the first axis.
5. The laser processing apparatus according to claim 1, wherein said scanning mirror is a rotating polygon mirror or a galvanomirror.
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