JP6172403B2 - 線状溝形成方法および線状溝形成装置 - Google Patents
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Description
(1)レジスト除去率は、レーザーの照射エネルギーが一定であっても、出力によって異なる。
(2)レーザーの出力が低い条件でレジストを除去すると、地鉄の溶融が顕著になる。
(3)レジスト除去率は、レジストの塗布厚の影響を受ける。
(4)ビーム径が0.1mm以下になると、特に優れた磁気特性が得られる。
1.方向性電磁鋼板表面にレジストを塗布するレジスト塗布工程と、
前記方向性電磁鋼板の圧延方向を横切る方向に走査しながらレーザーを照射することによって前記レーザーが照射された部分のレジストを除去するレーザー走査を、前記方向性電磁鋼板の圧延方向に周期的に行うレーザー照射工程と、
前記レジストが除去された部分の方向性電磁鋼板をエッチングして線状溝を形成するエッチング工程とを有し、
前記レジストの塗布厚が0.5〜10μmであり、
前記レーザーの出力が1500W以上である、線状溝形成方法。
前記レーザー走査1回当たりの走査時間tが2.5msec以上であり、
前記レーザー走査1回当たりの走査時間tに対する、1回の走査において照射されたレーザーが実際に鋼板表面上を走査している鋼板上走査時間t’の比Y(=t’/t)が0.8以下である、前記1に記載の線状溝形成方法。
前記レーザーの、走査方向と直交する方向におけるビーム径が0.1mm超0.4mm以下であり、
前記レーザーの、短軸径に対する長軸径の比が1.25以下である、前記2に記載の線状溝形成方法。
前記レーザーの、走査方向と直交する方向におけるビーム径が0.03mm以上0.1mm以下であり、
前記レーザーの、短軸径に対する長軸径の比が1.1以下である、前記2に記載の線状溝形成方法。
コイル同士を接合する溶接部、
前記方向性電磁鋼板の表面にレジストを塗布するレジスト塗布部、
前記方向性電磁鋼板の表面に塗布されたレジストを乾燥する乾燥部、
前記レジストが塗布された方向性電磁鋼板の表面にレーザーを照射してレジストを部分的に除去するするレーザー照射部、
レジストが除去された部分の前記方向性電磁鋼板をエッチングするエッチング部、
前記方向性電磁鋼板の表面からレジストを除去するレジスト除去部、
前記方向性電磁鋼板を切断する切断部、および
前記方向性電磁鋼板を巻き取る巻取り部が、この順序で配置され、
さらに前記レーザー照射部における通板速度を一定とするためのルーパーを備える、線状溝形成装置。
「レーザー除去部」:レーザー照射工程におけるレーザーの照射によってレジストが除去され、方向性電磁鋼板の表面が露出した部分。
「レジスト除去率」:レーザーが照射された部分において除去されたレジストの比率。
「走査時間t」:レーザー走査1回当たりの所要時間。言い換えれば、1回のレーザー走査を開始してから、次のレーザー走査を開始するまでの時間。
「鋼板上走査時間t’」:1回の走査において、照射されたレーザーが実際に鋼板表面上を走査している時間。言い換えれば、1回の走査において、照射されたレーザーが鋼板表面に照射されている時間。
「走査長さL」:レーザー照射装置1台当たりの、走査1回における走査長さ。
「走査速度v」:レーザー照射工程において照射されるレーザーの、鋼板表面における走査速度。v=L/t。
「出力P」:レーザー照射工程において照射されるレーザーの出力。
「単位走査長さ当たりの照射エネルギーE(J/m)」:レーザー照射工程において走査されるレーザーの、走査長さ1mあたりのエネルギー。単に照射エネルギーともいう。E=P/v。
「ライン速度vL」:処理装置内を搬送される鋼板の速度。通板速度ともいう。処理装置内の位置によって速度が異なる場合には、レーザーが照射される位置における速度とする。なお、処理装置内において鋼板は、特に断らない限り、その圧延方向に搬送される。
「線状溝の間隔s」:鋼板表面に形成される線状溝の、圧延方向における間隔。レーザー照射工程において形成されるレジスト除去部の圧延方向における間隔に等しい。
(1)レジスト塗布工程、
(2)レーザー照射工程、および
(3)エッチング工程。
(1)レジスト塗布工程と(2)レーザー照射工程の間には、任意に、レジスト乾燥工程を設けることができる。また、(3)エッチング工程の後には、任意に、レジスト除去工程を設けることができる。
本発明では、基材として方向性電磁鋼板が使用される(方向性電磁鋼板製造工程の途中段階の鋼板を含む)。前記方向性電磁鋼板としては、特に限定されず任意のものを用いることができるが、鉄損低減の観点からSiを2.0〜8.0質量%の範囲で含有するものを用いることが好ましく、加えて通板性の観点からSiを2.5〜4.5質量%の範囲で含有するものを用いることがより好ましい。
前記鋼板の表面には、レーザーの照射に先立ってレジストが塗布される。前記レジストは、後述するエッチング工程において、鋼板がエッチングされるのを防止するためのエッチングレジストとして機能するものである。前記レジストとしては、鋼板のエッチングを防止できるものであれば任意の材料を用いることができるが、熱硬化性樹脂を主成分とするレジストを用いることが好ましい。前記熱硬化性樹脂としては、例えば、アルキド系樹脂、エポキシ系樹脂、メラミン系樹脂からなる群より選択される少なくとも1つを用いることができる。半導体分野で使用されるような、UV硬化性や電子線硬化性は必ずしも必要ではない。また、インクダレ抑制の点では、樹脂の粘度は高い方がよい。レジストの粘度を高く保つために、塗布されるレジストの温度を40℃以下とすることが好ましい。一方、レジストの温度の下限は特に限定されないが、20℃以上とすることが好ましい。また、装置が大型化するという設備上の課題はあるが、通常、電磁鋼板の表層に形成される絶縁被膜を前記レジストとして用いてもよい。この場合の塗布は従来技術に従って行えばよい。乾燥についても同じである。
レジストを塗布した後、次のレーザー照射工程に先立って、レジストを乾燥させることが好ましい。乾燥方法は特に限定されず、例えば、熱風乾燥や真空乾燥等を用いることができる。熱風乾燥の場合、乾燥温度は、180〜300℃とすることが好ましい。真空乾燥の場合は圧力を10Pa以下とすることが好ましく、乾燥時間は5秒以上とすることが好ましい。
次に、方向性電磁鋼板の圧延方向を横切る方向に走査しながら、レジストが塗布された前記方向性電磁鋼板の表面にレーザーを照射する。このレーザー照射によって、レーザーが照射された部分のレジストが局所的に加熱されて気化し、除去される結果、鋼板の表面が露出したレジスト除去部が形成される。前記レジスト除去部に露出した鋼板は、後述するエッチング工程において選択的にエッチングされ、線状溝となる。エッチングによって形成される線状溝の配置や寸法は、方向性電磁鋼板の最終的な磁気特性に影響するため、エッチングレジストのパターン、すなわちレジスト除去部の配置や寸法は、鋼板の磁気特性を考慮して決定すればよい。
本発明においては、レーザーの出力を1500W以上とする。以下、その限定理由を説明する。
図3を用いて説明したように、レジスト除去率は、出力に加えて、単位走査長さ当たりの照射エネルギーにも依存する。そのため、照射エネルギーは、レジスト除去率が100%となるよう、他の条件も考慮して決定すればよい。
レーザーの走査速度vは特に限定されないが、走査速度vが高い方がライン速度vLを上げられるため、生産性の面で有利である。また、レーザーの出力Pは、照射エネルギーEと走査速度vを用いて、P=vEと表せる。したがって、Eを一定とした場合、vが高い方がPを大きくできるため、走査速度を高くすることはレジスト除去の点でも有利である。そのため、圧延方向間隔をs(mm)、レーザー照射装置の台数をnとしたとき、走査速度vを999/(n・s) m/sec以上とすることが好ましい。例えば、鋼板の幅:1200mm、照射装置の台数n:3、圧延方向間隔s:3mmの場合、走査速度vを999/(3×3) m/sec以上、すなわち、111 m/sec以上とすれば、ライン速度vLを50mpm(meter per minute)とすることができるため、高い生産性が得られる。一方、走査速度vを過度に高くすると、それにともなってライン速度も上昇するため、同一ラインでエッチング処理を行う場合には、エッチング時間が短くなり、所望のサイズの溝を形成できなくなる。そのため、走査速度vは3600/(n・s) m/sec以下とすることが好ましい。
走査時間t、すなわち、レーザー走査1回当たりの所要時間は、2.5msec以上とすることが好ましい。その理由は次の通りである。本発明においては、鋼板の圧延方向に周期的にレジスト除去部を形成し、その後エッチングを行うことによって、圧延方向に一定の間隔で線状溝が形成される。形成される線状溝の、圧延方向における間隔は、レジスト除去部の間隔に等しい。ここで、ライン速度をvL、圧延方向における線状溝の間隔をsとすると、ライン中で鋼板が距離dを進むのにかかる時間はs/vLであるから、走査時間tは下記式(1)によって定められる値とする必要がある。
t=s/vL …… (1)
本発明においては、レーザー走査1回当たりの走査時間tに対する、1回の走査において照射されたレーザーが実際に鋼板表面上を走査している鋼板上走査時間t’の比Y(=t’/t)を0.8以下とすることが好ましい。その理由は以下のとおりである。
v=L/t …… (2)
したがって、走査長さLを増加させることができれば、走査時間tを長くしても走査速度vを落とす必要がなく、したがって出力P(=vE)を高くすることができる。
v=vL・L/s …… (3)
したがって、Lが400mmの場合、線状溝の間隔sを5mm、vLを80mpmとすると、vは約107m/sとなる。
レジスト除去部の幅は、照射されるレーザーのビーム径に依存する。図9は、レジスト除去率が100%となるようにレーザー照射を行った際の、ビーム径と、該レーザーの照射によって形成されたレジスト除去部の幅との関係を示す図である。この結果から明らかなように、レジスト除去部の幅は、使用したレーザーのビーム径に概ね比例する。そして、エッチングによって最終的に形成される線状溝の幅は、エッチング条件にも依存するが、レジスト除去部の幅よりも狭くなることはない。したがって、使用するレーザーのビーム径は、最終的に所望の幅の線状溝が得られるように選択すればよく、磁気特性向上の観点からは、線状溝の幅を200μm以下とすることが好ましい。したがって、図9に示した関係より、ビーム径は0.4mm以下とすることが好ましい。なお、ここでビーム径は、強度プロファイルにおいて強度が最大強度の1/eになる位置における直径とする。なお、本明細書において、「線状溝の幅」、「レジスト除去部の幅」、および「ビーム径」は、特に断らない限り、レーザーの走査方向に対して垂直な方向における値を表すものとする。
次に、レーザーの形状がレジスト除去率に及ぼす影響を評価するために、レーザーの短軸形を一定とし、長軸形を変化させた際のレジスト除去率を測定した。レーザーの走査は板幅方向に行い、レーザーの出力は1500Wとした。また、短軸が圧延方向、長軸が圧延直交方向となるようにレーザーを照射した。得られた結果を表2に示す。この結果より、短軸径に対する長軸径の比(以下、「長短軸比」ともいう)が1に近い、すなわちレーザービームの形状が真円に近いほどレジスト除去率が高いことが分かる。これは、短軸径が同じであれば長短軸比が高いほど、出力/ビーム面積で表されるパワー密度が低下するためであると考えられる。したがって、レーザーの、短軸径に対する長軸径の比は1.25以下とすることが好ましい。レーザーの出力が同じであっても、長短軸比を小さくすることによりパワー密度が向上し、その結果、十分なレジスト除去率が得られる。レジスト除去率が十分に高ければ、レーザーの走査速度をさらに高くすることができるため、生産性がさらに向上する。特に、上述したように、方向性電磁鋼板の磁気特性向上の観点からビーム径を0.1mm以下とする場合には、コア径が小さいファイバーを用いる必要があるため、レーザーの出力を上げることが困難となる場合がある。そのため、そのような小径ビームであっても優れた生産性を得るために、長短軸比を1.1以下とすることがより好ましい。
本発明の方法では出力1500W以上のレーザーを用いるため、レーザー照射が地鉄におよぼす影響を低減することができる。具体的には、線状溝が形成された方向性電磁鋼板を焼鈍した後の状態において、溝形成部近傍における結晶方位分布を、溝形成部以外の部分(以下、「他の部分」という)と「同等」とすることができる。前記効果は、例えば、以下のようにして確認することができる。
レーザー照射工程終了後、エッチングを行って鋼板表面に線状溝を形成する。エッチングに用いる方法は、鋼板をエッチングできる方法であれば任意の方法を用いることができるが、化学エッチングおよび電解エッチングの少なくとも一方を用いることが好ましい。エッチング量の制御という観点からは電解エッチングを用いることがより好ましい。化学エッチングの場合には、例えば、FeCl3、HNO3、HCl、H2SO4からなる群より選択される少なくとも1つを含有する水溶液をエッチング液として用いることができる。また、電解エッチングの場合には、例えば、NaCl、KCl、CaCl2、NaNO3からなる群より選択される少なくとも1つを含有する水溶液をエッチング液(電解液)として用いることができる。
本発明の溝形成方法は、特に限定されることなく、上記各工程を行うことができるものであれば任意の装置を用いて実施することができる。しかし、生産性の観点からは、コイルとして供給される方向性電磁鋼板を連続的に処理することができる連続式の処理装置を用いることが好ましい。
コイル状に巻かれた方向性電磁鋼板を払い出す払い出し部、
コイル同士を接合する溶接部、
前記方向性電磁鋼板の表面にレジストを塗布するレジスト塗布部、
前記方向性電磁鋼板の表面に塗布されたレジストを乾燥する乾燥部、
前記レジストが塗布された方向性電磁鋼板の表面にレーザーを照射してレジストを部分的に除去するするレーザー照射部、
レジストが除去された部分の前記方向性電磁鋼板をエッチングするエッチング部、
前記方向性電磁鋼板の表面からレジストを除去するレジスト除去部、
前記方向性電磁鋼板を切断する切断部、および
前記方向性電磁鋼板を巻き取る巻取り部が、この順序で配置され、
さらに前記レーザー照射部における通板速度を一定とするためのルーパーを備える線状溝形成装置を用いることがより好ましい。溶接部を設けることにより、コイル同士を溶接して通板することによって、ラインを停止させることなく複数のコイルを連続的に処理することができる。また、前記溶接の際等、ラインの一部の箇所で通板速度が低下すると、レーザー照射部における通板速度まで減速してしまい、照射エネルギーが一時的に増大する結果、得られる方向性電磁鋼板の磁気特性にばらつきが生じる可能性がある。しかし、通板速度を一定とするためのルーパーを設置することにより、レーザー照射部における通板速度の変動を抑制し、方向性電磁鋼板の磁気特性のばらつきを防止できる。なお、前記ルーパーは、具体的には、前記溶接部と前記レジスト塗布部の間、および前記レジスト除去部と前記切断部の間にそれぞれ設置することが好ましい。
レーザー照射条件の影響を評価するために、複数の条件で、方向性電磁鋼板の表面に線状溝を形成した。前記方向性電磁鋼板としては、3.4質量%のSiを含有した、板厚0.22mmの方向性電磁鋼板を用いた。まず、常法にしたがって圧延を行うことにより前記方向性電磁鋼板を得た後、グラビアオフセット印刷法により該鋼板の表面全体に均一にレジストを塗布した。レジストの塗布厚は7μmとした。
さらに、ビーム径の影響を評価するために、以下の実験を行った。まず、溝を形成する金属ストリップとして、板厚0.22mmに圧延された、3.4%のSiを含有する方向性電磁鋼板を準備した。前記方向性電磁鋼板の表裏面に、グラビアオフセット印刷法によりエッチングレジストを厚さ1μmとなるように塗布し、220℃×40secで乾燥した。次いで、ビーム径が0.07mmのファイバーレーザーを用いて表5に示した条件でレーザー照射を行い、圧延方向間隔4mmで直線状にレジストインキを除去した。続いて、電解エッチングを行った。電解液はNaCl水溶液とし、所望の溝が形成されるよう、事前に電流密度を調整した。エッチング後、鋼板表裏面に残ったレジストを、NaOH水溶液を用いて除去した。前記NaOH水溶液の温度は、50〜70℃に保持した。その後、水洗および表面洗浄を行った。さらに、脱炭焼鈍と最終仕上焼鈍、張力被膜形成などの工程を行った後、鉄損を測定した。鉄損の測定は、試験片の総質量500gでのエプスタイン試験で行った。
20 方向性電磁鋼板
30 レーザー遮蔽手段
100 グラビアオフセット印刷装置
101 ピックアップロール
102 インキ
103 グラビアロール
104 グラビアセル
105 ドクターブレード
106 オフセットロール
107 被印刷物
110 鋼板
111 レジスト
112 非塗布部
Claims (4)
- 方向性電磁鋼板表面にレジストを塗布するレジスト塗布工程と、
前記方向性電磁鋼板の圧延方向を横切る方向に走査しながらレーザーを照射することによって前記レーザーが照射された部分のレジストを除去するレーザー走査を、前記方向性電磁鋼板の圧延方向に周期的に行うレーザー照射工程と、
前記レジストが除去された部分の方向性電磁鋼板をエッチングして線状溝を形成するエッチング工程とを有し、
前記レジストの塗布厚が0.5〜10μmであり、
前記レーザーの出力が1500W以上であり、
前記レーザーの照射エネルギーが30J/m以上であり、
前記レーザー走査が、1〜5台のレーザー照射装置を用いて行われ、
前記レーザー走査1回当たりの走査時間tが2.5msec以上であり、
前記レーザー走査1回当たりの走査時間tに対する、1回の走査において照射されたレーザーが実際に鋼板表面上を走査している鋼板上走査時間t’の比Y(=t’/t)が0.8以下である、線状溝形成方法。 - 前記レーザー走査が、1〜3台のレーザー照射装置を用いて行われ、
前記レーザーの、走査方向と直交する方向におけるビーム径が0.1mm超0.4mm以下であり、
前記レーザーの、短軸径に対する長軸径の比が1.25以下である、請求項1に記載の線状溝形成方法。 - 前記レーザー走査が、4または5台のレーザー照射装置を用いて行われ、
前記レーザーの、走査方向と直交する方向におけるビーム径が0.03mm以上0.1mm以下であり、
前記レーザーの、短軸径に対する長軸径の比が1.1以下である、請求項1に記載の線状溝形成方法。 - 請求項1〜3のいずれか一項に記載の線状溝形成方法を行うための線状溝形成装置であって、
コイル状に巻かれた方向性電磁鋼板を払い出す払い出し部、
コイル同士を接合する溶接部、
前記方向性電磁鋼板の表面に塗布厚が0.5〜10μmとなるようレジストを塗布するレジスト塗布部、
前記方向性電磁鋼板の表面に塗布されたレジストを乾燥する乾燥部、
前記レジストが塗布された方向性電磁鋼板の表面にレーザーを照射してレジストを部分的に除去するするレーザー照射部、
レジストが除去された部分の前記方向性電磁鋼板をエッチングするエッチング部、
前記方向性電磁鋼板の表面からレジストを除去するレジスト除去部、
前記方向性電磁鋼板を切断する切断部、および
前記方向性電磁鋼板を巻き取る巻取り部が、この順序で配置され、
さらに前記レーザー照射部における通板速度を一定とするためのルーパーを備え、
前記レーザー照射部が1〜5台のレーザー照射装置を有し、
前記レーザーの出力が1500W以上であり、
前記レーザーの照射エネルギーが30J/m以上であり、
前記レーザー走査1回当たりの走査時間tが2.5msec以上であり、
前記レーザー走査1回当たりの走査時間tに対する、1回の走査において照射されたレーザーが実際に鋼板表面上を走査している鋼板上走査時間t’の比Y(=t’/t)が0.8以下となるよう構成されている、線状溝形成装置。
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