JPH0151527B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は材料のレーザ処理装置、特に圧延ガラ
ス、二次被覆、あるいはその両方のような絶縁被
覆を施した電気鋼のレーザ処理装置、更に詳しく
言うと、絶縁被覆には全く損傷を与えることなし
にこのような電気鋼の鉄損を改善するためのレー
ザ処理装置に関する。また本発明は鋼を横切るよ
うにレーザ光を走査する装置にも関連する。

本発明は、処理を施すことによつてかなり鉄損
改善が行なわれ得る大きさの磁区をもつたあらゆ
る磁性材料に用いることができる。例えばアモル
フアス物質、立方格子の面方向（ミラー指数
（100）〔001〕で表わされる。）に異方性をもつ電
気鋼、立方格子の面対角線方向（ミラー指数
（110）〔001〕で表わされる。）に異方性をもつ珪
素鋼等である。この中で典型例として、立方格子
の面対角線方向に異方性をもつ電気鋼を製造する
過程での改善処理を行なう場合について本発明を
説明する。立方格子の面対角線方向に異方性をも
つ電気鋼においては、粒や結晶を構成している体
心立方格子が、ミラー指数（110）〔001〕で示さ
れるようなその立方格子の面対角線方向に異方性
をもつている。

立方格子の面対角線方向に異方性をもつ珪素鋼
は従来からよく知られており、変圧器等の鉄心を
製造する上でよく用いられる。本明細書ではこの
立方格子の面対角線方向に異方性をもつ珪素鋼に
本発明を利用する場合について説明を行なう。し
かし当業者であれば本発明に係る処理が効果を有
する程度の十分大きな磁区をもつたその他の磁性
材料にも本発明を容易に利用しうることは自明で
ある。

最近この分野の技術者によつて、著しく磁気特
性が改善されうる立方格子の面対角線方向に異方
性をもつ珪素鋼の種々の製造過程が開発されてい
る。その結果、このような電気鋼は基本的に２つ
の部類のどちらかに属すると考えられている。

第１の部類は一般に等軸異方性珪素鋼と呼ば
れ、鋼板の厚さが約0.295mmのもので、通常透磁
率は796A／ｍの磁場で1870以下、60Hz、1.7Tで
求めた鉄損は0.700W／1b以上という性質のもの
ができるような製造工程で製造される。

第２の部類は一般に高透磁率異方性珪素鋼と呼
ばれ、鋼板の厚さが約0.295mmのもので、通常透
磁率は796A／ｍの磁場で1870以上、60Hz、1.7T
で求めた鉄損は0.700W／1b以下という性質のも
のができるような製造工程で製造される。

米国特許第3764406号には等軸異方性珪素鋼の
典型的な製造工程が開示されている。等軸異方性
珪素鋼の典型的な溶融成分を重量パーセントで示
すと以下のようになる。

Ｃ：0.085％以下 Si：２％〜４％ Ｓおよび／またはSe：0.015〜0.07％ Mn：0.02％〜0.2％ 残りはすべて鉄である。上記の不純物は製造工程
で付加される。

以下にこの製造工程の典型例を示す。もつとも
ここに示す工程に限られるものではない。まず溶
融鋼は塊状に鋳造されてから鋼板にされるか、あ
るいは続けて鋼板状に鍛造される。続いてこの鋳
塊あるいは鋼板は約1400℃で再加熱され、灼熱鋼
板の厚さに熱圧延加工される。鋳塊あるいは鋼板
が既に圧延加工に必要な温度に達している場合
は、再加熱することなしに熱圧延加工の工程が行
なわれる。灼熱鋼板は約980℃でアニールされ酸
洗される。この後、珪素鋼は最終的な規格の厚さ
になるまで１回あるいは複数回の冷圧延加工が施
され、約60℃の液化点をもつ湿水素雰囲気中に約
３分間入れることによつて、約815℃の温度で脱
炭される。この脱炭された珪素鋼は、続いてマグ
ネシアを被覆するようなアニール分離器にかけら
れ、最後に約1200℃の温度の乾水素雰囲気中等の
高温室でアニールされ、最終的に注文どおりの異
方性および磁気特性をもつた鋼となる。

一方米国特許第3287183号、同第3636579号、同
第3873381号、および同第3932234号には、高透磁
率異方性珪素鋼の典型的な製造工程が開示されて
いる。このような珪素鋼の溶融成分の一例を以下
に重量パーセントで示す。

Si：２％〜４％ Ｃ：0.085％以下 Al（酸に可溶）：0.01％〜0.065％ Ｎ：0.003％〜0.010％ Mn：0.03％〜0.2％ Ｓ：0.015％〜0.07％ 上述のリストは主要な成分を列挙したにすぎな
い。溶融鋼はこの他にも微量に銅、燐、酸素等を
含んでいる。これらの不純物は製造工程で付加さ
れる。

次にこの高透磁率異方性珪素鋼の製造工程の典
型例を示す。（もつともここに示す工程に限られ
るものではない。）まず溶融鋼は塊状に鋳造され
てから鋼板に圧延されるか、あるいは続けて鋼板
状に鋳造される。この鋼板は（必要があれば）約
1400℃に再加熱され、灼熱鋼板の厚さに熱圧延加
工される。その後、この鋼板は約850℃から約
1200℃の温度で、約30秒から約60分の時間、燃焼
したガス、窒素、空気あるいは不活性ガスの雰囲
気中で連続してアニールされる。この後、鋼板は
約850℃から約980℃の温度でゆつくりと冷却さ
れ、室温にまで焼入れされる。スケール剥離およ
び酸洗の後に鋼は最終的な規格の厚さになるまで
１回あるいは複数回の冷圧延加工が施され、最終
的な圧延では65％から95％に縮小される。この
後、鋼は約60℃の液化点をもつ湿水素雰囲気中に
約３分間入れることによつて、約830℃の温度で
続けて脱炭される。この脱炭された珪素鋼はマグ
ネシア等のアニール分離器にかけられ、最後に約
1200℃の温度の水素雰囲気室でアニールされる。

以上２つの部類の異方性電気鋼に関しては、最
終的な高温アニールによつて望みどおりの（110）
〔001〕構造が形成された後は、その異方性珪素鋼
の表面に高い誘電性を有する絶縁被覆が（圧延ガ
ラスのかわりに、あるいは圧延ガラスとともに）
通常施される。このためには約815℃の温度で、
約３分間続けてアニールを行ない、鋼板を熱的に
平らにして絶縁被覆を形成させる。この絶縁被覆
方法の一例が米国特許第3948786号、同第3996073
号、および第3856568号に開示されている。

本発明の主目的は、異方性珪素鋼の鉄損を改善
（即ち減少）させることにある。従来から当業者
たる技術者はこの問題解決のために長い間模索
し、鉄損減少のための冶金学および非冶金学の両
方の手段を開発してきた。冶金学的手段には、異
方性が良い、最終的な厚みが小さい、固有抵抗が
高い、二次結晶粒が小さい等の利点がある。しか
しこの冶金学的手段で加工後の異方性電気鋼につ
いて最適の鉄損値を得るためには、各変数を決め
られたとおりの範囲内に維持して加工を行なわね
ばならない。このように冶金学上の各変数の均衝
を維持しながら加工を行なうという困難さが、理
論的限界に近い鉄損値をもつような材料の開発を
抑制する結果となつた。このようなことから、冶
金学的手段が一応の完成をみた後にも、何人かの
技術者を鉄損改善のための種々の非冶金学的手段
に駆り立てることになつた。

この冶金学的手段の１つは、米国特許第
3996073号に開示されているように、製造された
異方性電気鋼の表面に高圧二次被覆を施す方法で
ある。この二次被覆によつて異方性電気鋼板に張
力がかけられ、180゜磁区の幅が減少し、相補磁区
の数が減ることになる。異方性電気鋼の鉄損を減
少させるためには180°磁区の幅を狭め、相補磁区
数を少なくする必要があるため、このような高圧
被覆は有益である。しかしこのような方法で鋼板
にかけることのできる張力の程度には限度があ
る。

もう１つの非冶金学的手段は、製造された異方
性電気鋼の内部に人為的な欠陥を生成させる方法
である。この欠陥は180゜磁区の幅をある点では制
限する基本構造をもつている。この方法の基本的
技術は米国特許第36457575号に開示されている。
これは180゜磁区の長さを制限する欠陥を生成する
ために、異方性電気鋼の表面に歪みを生じさせ、
180゜磁区の幅を減少させ、結果的に鉄損を減少さ
せるというものである。この歪みは、圧延ローラ
の通過方向に対して横方向あるいはほぼ横方向に
狭くてひつかき傷のような溝を鋼板両面に削るこ
とによつて生じさせることができる。米国特許第
3647575号に開示されている方法によつて処理さ
れた異方性鋼板は、絶縁被覆が損傷を受け、表面
が不均一となつてしまう。このような鋼によつて
生産された変圧器では、層間損失が増加すると
か、占積率が減少するという結果が生じる。

人為的な欠陥を生成する種々の方法について、
この後も数々の論文、特許出願が続いた。興味深
いことには、レーザ光等を局部的に照射して磁区
を制限するという技術の一部には、前述の米国特
許第3647575号に開示されている溝を設ける方法
の欠点を克服できるものがあることである。

ソビエド連邦特許第653302号には、異方性電気
鋼をレーザ光処理することによつて、磁壁間隔の
規則的な基礎構造を作り、それによつて鉄損を改
善する方法が開示されている。このソビエト連邦
特許第653302号によると、最終高温アニールの後
に異方性電気鋼の表面には、圧延ローラの通過方
向に対して横方向あるいはほぼ横方向にレーザ光
が照射される。鋼板のレーザ照射を受けた部分
は、急激に約800℃から約1200℃に熱せられる。
レーザ処理の後に、異方性電気鋼板は被覆され、
約700℃から約1100℃の温度でアニールされねば
ならない。このソビエト連邦特許第653302号に開
示された方法で処理した従来の異方性電気鋼板で
は鉄損が10％以上も改善される。しかしながら、
一般に透磁率は減少し、励磁力が増加する。特に
最終的な厚みが0.30mm以下の鋼板の場合にこの弊
害は顕著になり、この技術の商業的応用面での限
界を示している。

米国特許第4293350号には、異方性電気鋼のた
めの別なレーザ処理方法が開示されている。この
米国特許第4293350号によると、最終高温アニー
ルの後に異方性電気鋼の表面は、パルスレーザ光
に短時間照射される。レーザ光は圧延ローラの通
過方向に対して横方向あるいはほぼ横方向に向か
つて鋼板表面を横切るように照射される。異方性
珪素鋼板の表面のレーザ照射領域には、非常に微
小ではあるが効果的な磁区幅を制限する基礎構造
が形成され、鉄損が改善される。この米国特許第
4293350号の制限内で行なつたレーザ処理による
と、従来の異方性電気鋼では、約５％の鉄損改善
しかみられなかつたが、高透磁率異方性電気鋼で
は、処理後の鋼板の透磁率あるいは励磁力をほと
んど低下させることなく、10％以上の鉄損改善が
みられた。これらの技術によつて処理された電気
鋼の商業的応用面は、製造工程で生じる張力を避
けるために、アニールを行なわないで製造した鋼
板層からなる鉄心を必要とする変圧器に限られ
る。通常の張力除去が約800℃のアニールで行な
われるに対して、レーザ処理による微小な欠陥構
造は約500℃から約600℃のアニールで除去され
る。前述の米国特許第4293350号に開示された技
術のもう１つの制限は、絶縁被覆、即ち圧延ガラ
スもしくは二次被覆またはその両方が、パルスレ
ーザ光の処理によつて損傷を受ける点である。層
状鉄心を有する機器に用いられる異方性電気鋼に
は非常に高い層間抵抗率と被覆の完全さとが要求
されるのである。

前述の米国特許第4293350号を更に進展させた
レーザ処理技術が欧州特許第33878号に開示され
ている。これはレーザ処理を施した被覆鋼板を被
覆回復のために約500℃で再び熱するという被覆
工程を追加するものである。しかしこの技術は付
加的な処理工程が必要となるためコスト高とな
る。

本発明は、圧延ガラスもしくはその他の被覆ま
たはその両方を有する異方性電気鋼を連続発振す
るレーザ光で処理することにより、磁区を再分化
精錬し、絶縁被覆に損傷を与えることなく鉄損を
効果的に減少させることができたという発見に基
づく。この結果被覆に損傷のないレーザ精練され
た磁区をもつ鋼ができる。

本発明によれば、材料を処理するのに必要なだ
けのエネルギーをもつたレーザ光を発するレーザ
装置を有し、この材料表面に細長い楕円状のスポ
ツトができるようにレーザ光を修正する装置をも
つことを特徴とする材料のレーザ処理装置を提供
することができる。

本発明は更に、複数の磁区および絶縁被覆を有
する長さが未知の磁性材料の板を連続的に加工処
理でき、この板をほぼ一定の速度で移動させるこ
とができ、レーザ光を発するレーザ装置を有し、
このレーザ光を移動中の板の表面に焦点を合わせ
て照射できる装置をもつことを特徴とし、この結
果絶縁被覆に損傷を与えることなしに鋼板中に再
分化された磁区の細い線を作ることができる装置
を提供することができる。

レーザ処理中、異方性珪素鋼はローラの進行方
向（あるいはそれにほぼ平行な方向）に張力がか
かつたままとなるようにしてもよい。電気鋼に張
力をかけておけば、レーザ処理の結果生成される
材料の反り、表面の痕跡、ぎざぎざ、波その他の
板の平面の物理的な歪みを防ぐことができる。こ
のような歪みは、変圧器の鉄損を極限まで改善す
る場合には見逃せないのである。また、レーザ処
理中に張力をかけることは、処理される鋼板のあ
らゆる磁気歪特性の低下を最小限におさえるのに
も役立つ。以上述べてきた鋼の処理工程を実施す
るために連続発振するNd：YAGレーザのレーザ
光を移動中の鋼板の幅方向に機械的に走査する光
学系を用いるという典型的な一実施例について本
発明を説明することにする。

高出力Nd：YAGレーザの出力である比較的細
い光線はまずアツプコリメータに入り、ここで発
散角が狭められた幅の広い平行光線が作られる。
この平行光線の方向は必要に応じて微妙に方位鏡
によつて調節でき、移動中の鋼板に応じた種々の
位置にレーザ光伝播系を配置できるようになつて
いる。

方向が定められ、コリメートされたレーザビー
ムは、高速回転している多面鏡に入射し、この回
転多面鏡によりビームは移動中の鋼板を幅方向に
横切るように走査される。この回転多面鏡の方向
づけ、反射面の幅、および回転速度は、走査線が
鋼板の移動方向に対してぼぼ直角になり、隣り合
つた走査線どうしが適当な距離を保ち、かつ鋼板
を横切るレーザスポツトが絶縁被覆を損傷するこ
となく最大限の磁区精練を行なうために十分な時
間だけ鋼板を照射するように考慮して選ばれる。

走査されたビームは大きなフラツトフイールド
レンズを通り、全走査区間にわたつて焦点調節さ
れたスポツトが形成される。このようにして鋼板
表面へ焦点が合わされたレーザスポツトは通常円
形をしている。しかし楕円形のスポツトを用いた
場合にはより柔軟な動作が可能となる。このため
には、フラツトフイールドレンズで焦点調節され
たビームは大きなシリンドリカルレンズを通され
る。この場合、鋼板の移動方向に対して横方向に
シリンドカルレンズの長軸が向けられ、非常に幅
の狭い楕円形のビームが形成される。円形、楕円
形どちらにしても、焦点調節されたスポツトは磁
区の精練を効果的に行なうのに必要な照射エネル
ギーと照射時間とを持ち、鋼板表面に施された絶
縁被覆に損傷を及ぼすことなく、上述したように
鉄損を改善させることができる。

従来からよく知られているように、レーザは遠
赤外から紫外に至る波長領域をもつ単色電磁波放
射を発生する装置である。レーザ光は正確な指向
性を持ち、正確な制御が可能な非常に限定的なビ
ームとして特徴づけられている。従つて材料をレ
ーザ加工する場合、レーザのエネルギーはその材
料のごく表面近傍で吸収される。この吸収量はレ
ーザが照射されている材料の特性、表面加工によ
つて決まる。吸収が行なわれている間は、照射エ
ネルギーは正確に調節できるため、目的となる材
料の温度も正確に調節できる。種々のタイプのレ
ーザが今まで開発されてきている。

レーザを分類する１つの方法は、レーザ媒質と
して用いられる物質によるものである。レーザ媒
質は出力ビームの波長特性を決定する。本発明の
基となつた研究はネオジミウムYAG（Nd：
YAG）レーザを用いて行なわれた。このレーザ
は0.5〜３％のネオジミウムイオンをドープした
イツトリウム−アルミニウム−ガーネツト
（YAG）の単結晶の円筒状ロツドをレーザ媒質と
している。出力波長はネオジミウムによつて決定
される1.06μｍで、これはネオジミウムのスペク
トルの近赤外部に相当する。この波長の光は鋼板
表面上の圧延ガラスあるいは絶縁被覆を通過する
際に、最小限の吸収しか受けないという点で適し
ている。

レーザを分類するもう１つの方法は、レーザエ
ネルギーの出力のしかたによるもので、連続発
振、単一パルス発振、継続パルス発振に分類でき
る。

パルスレーザに関しては、エネルギー即ちレー
ザ光放射は設定されたパルスの時間幅と発振周期
即ち繰り返し率をもつた別々のパルスとして出力
される。パルスレーザの重要なパラメータは、平
均出力、パルス繰り返し率（周期）、１つのパル
スの時間幅、照射面でのビーム直径、そしてこの
照射面上をビームが動く速度（走査速度）であ
る。パルスの時間幅は、照射された材料の内部に
エネルギーが浸透する深さに影響を与える。。ま
た、ビーム直径および走査速度は材料表面に与え
るエネルギー量を決定する。パルスレーザのうち
よく用いられる２つのタイプは、通常のパルスレ
ーザとＱスイツチレーザである。Ｑスイツチレー
ザは、パルスの時間幅（0.0001ｍsec）が通常の
パルスレーザ（普通0.65〜10ｍsec）に比べて非
常に短く、またパルス繰り返し率（普通1000〜
4000pulses／sec）も通常のパルスレーザ（普通
100〜400pulses／sec）に比べて非常に高いため、
瞬間ピークパワーが大きくなる。（ここで「パワ
ー」とは単位時間に放出されるエネルギーの意味
である。） よく用いられるもう１つのタイプのレーザは
CW（continvous ware）レーザと呼ばれる連続発
振するタイプのもので、ビームの出力は定常光
で、その大きさはパワー（ワツト）で表わされ
る。CWレーザから材料表面に照射されるエネル
ギーの量は、平均出力、照射面でのビーム直径、
そして走査速度によつて決定される。

以上の３つのタイプのレーザがすべて（即ち、
CWレーザ、通常のパルスレーザ、Ｑスイツチレ
ーザ）が本発明についての研究に用いられた。３
つのタイプとも波長1.06μｍの光を出すNd：
YAGレーザである。この結果、３つのタイプの
レーザすべてが圧延ガラスあるいは絶縁被覆が施
された等軸、および高透磁率異方性の珪素鋼につ
いて、磁区情練が可能であり、鉄損を減少させる
ことができることが確認された。しかしながら、
Ｑスイツチレーザに関しては、パルスの時間幅が
短く、そのためパルスのもつエネルギーの瞬間ピ
ークパワーが非常に高くなり、鋼板の被覆を破壊
してしまうため、被覆珪素鋼のレーザ処理には適
していないことが確認された。

一方、通常のパルスレーザを用いた場合にはこ
の点に関しては最適の結果が得られた。このタイ
プのレーザは高いパルスエネルギーを特徴として
いるが、パルスの時間幅がＱスイツチレーザに比
べて非常に長い（即ち、0.65ｍsec〜10ｍsec）た
め、ピークパワーはかなり小さくなる。その結
果、この通常のパルスレーザによる処理では、Ｑ
スイツチレーザで問題となつた莫大なピークパワ
ーを避けることができ、圧延ガラス、二次被覆あ
るいはその両方のような形で施された絶縁被覆に
何ら影響を与えずに処理が行なえる。

しかしこの通常のパルスレーザは次のような点
で、異方性電気鋼のレーザ処理には適さない事が
明らかとなつた。まず、このタイプのレーザは本
質的に非常に低いパルス繰り返し率をもつため、
高速の生産ラインに追従できないという点であ
る。更にこのタイプのレーザを用いた場合、必要
な磁区精練を行なうためには、Ｑスイツチパルス
レーザに比較して、照射面の平均エネルギー密度
を増加してやらねばならない点である。照射面の
平均エネルギー密度を増加させた場合には、鋼板
の平担性を物理的に歪めるという新たな問題が生
じてくることになる。このような歪みは鋼板が反
る、および／または、表面に線状の痕跡を形成す
るといつた形で表われる。このような痕跡はパル
スレーザ処理された鋼板の鉄損に対して害とな
り、またこのパルスレーザ処理された鋼板からな
る変圧器の積層要素に対しても害となる。

通常のパルスレーザを用いる場合は、異方性珪
素鋼の表面の「スポツト」の形は、最良の鉄損減
少が得られ、かつ生産ラインの速度に応じて処理
する鋼板の全範囲に照射できるように選ばなくて
はならない。これには当然ながら、処理されるべ
き珪素鋼板の幅、用いられるレーザのパルスの繰
り返し率が考慮される。表面エネルギー密度は、
スポツト分散が増大するにともなつて増加させね
ばならないことも確認された。このように与えら
れた鋼板の幅および生産ラインの速度によつて、
パルススポツトの重なり、間隔、および鋼板表面
のレーザビームのエネルギー密度を適当に抑制す
る事が必要となる。これらの要素によつて高速に
幅広く走査する能力およびむらなく鉄損を減少さ
せる能力が決定されるのである。

本発明についての研究で、CWレーザを用いる
ことによつてめざましい結果を得る事ができた。
CWレーザはパルスレーザに比べて２つの著しい
違いがある。１つは、CWレーザは、パルスレー
ザの特徴であつた高い瞬間パワーをもつピークが
なく、定常的に光を放射する点である。もう１つ
は、CWレーザを走査することによつて、パルス
レーザの場合のパルスの時間幅と同程度の「実効
照射時間」が得られるが、この「実効照射時間」
が走査速度および照射面でのビームの直径の関数
として変化する点である。この実効照射時間、即
ちビームの滞在時間は、焦点調節されたスポツト
がその材料の表面の任意の点に照射されている間
の時間である。従つて、ある点に照射されたエネ
ルギーはこの実効照射時間とレーザの平均パワー
から求めることができる。

本発明の特徴は、以下に図を参照しながら詳述
することによつて更に明らかになる。

比較的薄く、長さが不定の鋼板を前述してきた
レーザ処理工程により処理する場合の幾何学的説
明図を第１図に示す。鋼板の幅をＷ、便宜的な厚
みをＴとする。レーザビームが鋼板の幅Ｗにわた
つて横切つた場合、鋼板内部へ熱が拡散する深さ
をＺとする。レーザビームによつて与えられる図
の垂直方向の面A_v内で発生するエネルギー密度
は、この領域で吸収された総エネルギーをＥとす
るとＥ／A_vで表わされ、鋼板の幅Ｗと拡散の深
さＺという実際の変数を代入すれば、Ｅ／WZで
表わされることになる。

ここで総エネルギーＥは、レーザビームのパワ
ーＰと、ビームが鋼板の幅Ｗを横切るのに必要と
する走査時間t_scaoの積で表わされることは言うま
でもない。また同様に、熱が拡散する深さＺはお
よそ〔4kΔt〕^1/2で表わされることが知られてい
る。ここでｋは熱拡散率、Δtはある特定の位置
に走査スポツトが滞在している時間である。よく
知られているように、熱拡散率は熱伝導度を密度
と比熱との積で除したものに等しく、珪素鋼では
ほぼ0.057cm²／secである。以上の値をまとめる
と、垂直面でのエネルギー密度Ｅ／A_vは次式で
表わされる。

この式は後に詳述するようにスポツトの形が特
別な場合にも拡張して用いられる。本発明で考慮
すべきもう１つの量は、レーザ処理される材料の
表面で測定される単位面積あたりのレーザビーム
パワーＰ／Ａである。ここでＡはレーザビームの
照射面積である。材料を処理する場合、必要な磁
区精練を行なうためには最低限のＥ／A_v値が必
要であるが、一方絶縁被覆の損傷を防ぐためには
Ｐ／Ａの最大値が限られてしまうことが確認され
ている。

鋼板が移動している工程で、本発明の代表的な
適用を行なう場合、走査時間t_scaoはビームが鋼板
の全幅Ｗを横切ることができ、かつ隣り合つた走
査線と必要なだけ間隔がとれるように調節され
る。本発明はCWレーザを用いることを考慮して
いるため、必要な走査時間は、また滞在時間Δt
を決定することになる。一方熱拡散率ｋはほとん
ど与えられた材料によつ定まつた値となつてしま
うため、結局Ｅ／A_vの値はレーザビームのパワ
ーＰを適当に選択して制御できることになる。し
かしパルスレーザを用いた場合には、滞在時間
Δtは鋼板を横切るように走査するレーザビーム
の繰り返し率を制御することによつても調節でき
る。

表面に照射されるエネルギー密度が磁区精練を
行なうのに十分なだけある場合、0.1μsecのオー
ダーの非常に短い時間幅のパルス（即ち、Ｑスイ
ツチレーザで得られるようなパルス）は絶縁被覆
に損傷を与える。滞在時間が長いほどエネルギー
を材料のより内部にまで拡散させることができ、
磁壁の形成に影響を与えることができる。しかし
滞在時間が長すぎると、鋼板の反り、および／ま
たは、鋼板表面の線状痕の形成、といつた物理的
な歪みが生じることになる。0.003ｍsecという短
い実滞在時間が最適のようである。

出力20W〜600W程度の高出力CW式Nd：
YAGレーザを高速走査することにより、圧延ガ
ラス、絶縁被覆、あるいはその両方を有する等軸
異方性および高透磁異方性の電気鋼について著し
い鉄損改善が見られた。このCW式レーザは同じ
Nd：YAGレーザでも通常のパルス式あるいはＱ
スイツチ式のものに比べて装置も単純で、パラメ
ータ設定も容易に行なえるため、生産ラインへの
適用には特に望ましいものである。更に重要な点
は、本発明でCWレーザを用いることにより、絶
縁圧延ガラスやその他の被覆に何ら影響を与えず
にレーザ処理ができ、結局鋼板の再被覆を行なう
必要がなくなるという点である。

本発明が意図するタイプのレーザ処理を行なつ
た場合、鋼板の反り、あるいは表面の線状痕形成
といつた形の鋼板の平坦性を歪める結果が起こり
得る事が確認された。これらの鋼板の平坦性につ
いての物理的歪みは、鉄損を減少する上で非常に
弊害となるが、レーザ処理中に異方性電気鋼板に
対してローラの進行方向、あるいはそれにほぼ平
行な方向に張力をかけておくことによつて、これ
らの歪みを避けることができる。一軸方向の張力
は、当然異方性電気鋼の弾性強度によつて定まる
限界があり、この値は約324MPaである。しかし
一軸方向にかける張力として良好な結果が得られ
る範囲は、約3.5MPa〜約70MPa程度である。更
にこの一軸方向にかける張力として望ましい値と
しては、約10.0MPa〜約35MPa程度である。レ
ーザ処理中にかける張力は一軸方向、二軸方向、
あるいは放射状方向のいずれかの方向にかけても
よい。レーザ処理中に張力をかけることは、この
他にも処理されている鋼板の磁気歪特性の何らか
の低下を最小限にするという面でも役立つ。

本発明の実施にあたつては、スポツトの直径が
できる限り小さくなるように焦点調節が行なわれ
た。最良の結果は、レーザビームスポツトの直径
が約0.025〜約1.5mmであるときに得られた。ま
た、実効滞在時間は、0.003ｍsec〜0.65ｍsecの時
に最良の結果が得られた。被覆珪素鋼の表面の走
査線間隔は２mmあるいはそれ以上にすべきであ
る。米国特許第4293350号で定義されている走査
線間隔は２本の隣り合う線の間隔に線幅を加えた
値である。走査線間隔を左右する重要な要素は、
追従すべき高速の生産ライン速度である。最後
に、垂直面A_v内の単位面積あたりのレーザビー
ムエネルギー密度（Ｅ／A_v）は、絶縁被覆に損
傷を与えることなく最大限の磁区精練を行なうた
めに可能な限り大きくすべきである。

米国特許第3996073号および同第3948786号に開
示されているようなアルミニウム−マグネシウム
−燐酸塩の被覆を有し、厚みが0.270mmの高透磁
率異方性珪素鋼を材料として、被覆粘着度、フラ
ンクリン抵抗率、および絶縁破壊特性について、
本発明に係るレーザ処理が絶縁被覆に与える影響
を見るために試験が行なわれた。フランクリン抵
抗率試験の結果、レーザ処理は試料の上面（照射
面）、あるいは下面のどちらの絶縁被覆について
もその絶縁度に影響を与えないことが示された。
すべての試料が良好な抵抗率を示した。

レーザ処理された試料の絶縁被覆についての耐
絶縁破壊度を調べるために、絶縁被覆に電圧を印
加し、この絶縁被覆が破壊され導通するまで印加
電圧を増加してゆく試験を行なつた。絶縁被覆が
絶縁被覆しないで耐えきれる最大印加電圧が耐絶
縁破壊度となり、絶縁強度を示すことになる。そ
の結果、本発明の実施に用いたレーザパワー値、
走査速度、および滞在時間では、レーザ処理は絶
縁被覆の絶縁強度に何ら害を与えない事が確認で
きた。

レーザ処理の絶縁被覆粘着度に与える影響を評
価するために、レーザ処理後の試料を3/4インチ
曲げる試験が行なわれた。この結果もレーザ処理
が粘着度に影響を与えない事を示している。本発
明の実施によつて得られる鉄損改善は、変圧器の
動作温度においても安定したものであり、本発明
に係るレーザ処理は圧延ガラス、その他の被覆、
あるいはその両方に対しても弊害はない。

米国特許第3996073号に開示されているタイプ
のアルミニウム−マグネシウム−燐酸塩の絶縁被
覆を有する高透磁率異方性珪素鋼について、本発
明に係るレーザ処理工程を施した場合の典型的な
鉄損改善を示すグラフが第２図である。なおプロ
ツトされている値は円形レーザスポツトを用いた
処理工程によつて得られた値である。横軸は垂直
面でのレーザエネルギー密度（Ｅ／A_v）に定数
Ｋを乗じた値を表わしている。ここでｋは熱拡散
率ｋに対して２√で与えられる量で、珪素鋼の
場合ｋ≒0.48である。

第２図から明らかなように、垂直面でのエネル
ギー密度の増加に従つて著しい鉄損改善が得られ
る。ここに示した典型例において、各データの点
がそれぞれ散在しているのは、透磁率、結晶粒の
大きさ、異方性、被覆の種類といつた通常の統計
上の材質による不均一パラメータによるためであ
る。

しかしながら、鉄損改善を進める磁区精練をよ
り多く行なおうとして、ただ単にＥ／A_v値を任
意に増加できるものではない事が認知された。即
ち、被覆に損傷を与える限界に達するのである。
Ｅ／A_v値を更に増加させてゆくと、鉄損改善は
行ない得るが、絶縁被覆の機能低下を生じる結果
となり、Ｅ／A_v値がある程度以上になると、被
覆は鋼板表面から全面にわたつて完全にはがれ落
ちてしまう。

第３図は本発明に係るレーザ処理による鉄損変
化について、レーザスポツトの形状による相違を
示したものである。カーブＡは第２図と同様に、
異方性珪素鋼を円形スポツトで処理した場合の典
型的な鉄損の変化を示す。図から明らかなように
Ｅ／A_v値の増加にともなつて鉄損は減少する。
しかしここで用いた試料では、Ｋ（Ｅ／A_v）値が
臨界値40を越えると、被覆に損傷が生じた。従つ
て被覆損傷を避けるためには、Ｋ（Ｅ／A_v）値と
この臨界値以下に制限することが必要である。こ
れは実際に用いるレーザに応じて、レーザパワ
ー、走査時間、および滞在時間を適当に設定して
やることによつて制限可能である。

移動中の鋼板の幅方向にレーザビームを光学的
に走査するための好ましい一実施例を第４図に示
す。今までの説明で述べてきた鋼板を図では一般
に１と表示している。従来の工程では、長さが不
定の鋼板１は、図示されていない何らかの方法に
よつて、矢印２の方向にほぼ一定速度で直線的に
移動する。

CW式Nd：YAGレーザ４によつて高出力
（584W）の比較的幅の狭い単色光ビーム３が放出
される。なお、もし何らかの特有な被覆をもつた
鋼板に用いる場合は、その被覆を十分通過させる
ために、Nd：ガラス、アルゴン、アレキサンド
ライト、Co₂、ルビー等の他の適当な出力エネル
ギーをもつたCW式レーザを本発明に用いること
ができるのは当然である。レーザ４は移動中の鋼
板に対して都合のよい位置ならば、どこに配置し
てもかまわない。

レーザ４の一端から放出されたレーザビーム３
が、ビームパワーの関数として定まる広がり角δ_p
をもつている事はよく知られている。本実施例で
は、レーザビーム３は光学的アツプコリメータ５
を通ることによつて、広がり角が減少し、ビーム
幅が増大する。ビーム幅は２倍、３倍、７倍とい
つた整数値M_c倍されることになる。

コリメートされたビーム６は、単数あるいは複
数の平面鏡７を反射して方向調節される。平面鏡
７は単にビームの方向を制御するだけである。こ
の平面鏡を用いる事により、レーザ４を他の光学
要素と同様に移動中鋼板の下や脇など、その装置
特有の配置に応じて置く事が可能となる。

平面鏡によつて方向の定まつたコリメートされ
たビーム６ａは、要求される鋼板走査時間t_scaoに
応じた速度で図の矢印１０の方向に回転する回転
多面鏡９の一平面８に入射する。この実施例で
は、605RPMの速度で回転する８面鏡が用いられ
た。しかしながら、この回転多面鏡９の面数、多
面の大きさが、回転速度と同様に実効走査時間
t_scaoを決定し、移動中の鋼板の幅Ｗを横切つて走
査されるスポツトの滞在時間Δtに影響を与える
ことは理解できるであろう。更に振動鏡、回転プ
リズム、音響光学偏向板等の他の走査手段、走査
機構を用いることもできる。

回転多面鏡９で反射したビーム１１は大きなフ
ラツトフイールドレンズ１２を通り、スポツトが
ほぼ円形の場合には、比較的広範囲にわたつてス
ポツト平面が均一になるように焦点調節される。
本実施例では、鋼板１の表面に12インチの走査線
が形成されるようにフラツトフイールドレンズ１
２の焦点距離ｆを選んだ。

フラツトフイールドレンズ１２から出たビーム
１３は鋼板表面に最小限の大きさの円形スポツト
を形成するように直接焦点が合わされる。Ｅ／
A_v値は前述した関係および光学上の構成を限定
する特有のパラメータによつて決定される。例え
ば滞在時間Δtはスポツトの直径をｄとするとΔt
＝ｄ（t_scao／Ｗ）で表わされる。またスポツト直
径ｄは更に次式で定義される。

ｄ＝fδ_p／M_c ここでｆ、δ_p、M_cは前述したように、ｆはフ
ラツトフイールドレンズ１２の焦点距離、M_cは
上部コリメータ５のビーム幅倍率、δ_pはレーザ４
から出力されたビーム３の広がり角である。この
δ_pは一般にレーザの出力パワーによつて異なる。
前述までの各式をまとめると次式が得られる。

結局、前述したように鋼板内の垂直面でのエネ
ルギー密度Ｅ／A_vはレーザパワーＰに比例する
ことになる。

前述の米国特許第3948786号および第3996073号
に開示されているタイプの絶縁被覆を有する高透
磁率異方性鋼について、実験室での試験段階とし
て、CW式Nd：YAGレーザを用いた本発明に係
るレーザ処理を行なつた。この降10cmのフラツト
フイールドレンズ系を以下の条件で用いた。

フラツトフイールドレンズの焦点距離(f)＝10cm 走査幅＝10cm アツプコリメータのビーム幅倍率（M_c）＝３× 実効走査時間（t_scao）＝10.8μsec 滞在時間（Δt）＝13μsec 走査線間隔(l)＝８mm 工程ライン速度＝146fpm（約2.6Km／時） レーザパワー（Ｐ）＝100W 単位面積あたりのパワー（Ｐ／Ａ）＝0.88MW／
cm² Ｋ〔Ｅ／A_v〕＝30 レーザ処理された高透磁率異方性鋼板は透磁率
1903を示し、この値は何ら被覆損傷がないことを
示している。レーザ処理前、1.5Tで求めた鉄損
は0.479W／1b、また1.7Tで求めた鉄損は
0.686W／1bであつた。これがレーザ処理後、
1.5Tで求めた鉄損は0.450W／1b（0.047W／1bだ
け改善）、また1.7Tで求めた鉄損は0.629W／1b
（0.057W／1bだけ改善）と改善された。

また、鋼板表面に焦点調節されたレーザスポツ
トの形状に変えることによつても、処理工程にお
ける改善が行ない得る事も知得できた。例えば、
走査方向に長軸をもつ楕円形スポツトを用いる
と、絶縁被覆に損傷を与えることのないレーザパ
ワー値の限界内において、実効滞在時間Δtを変
えることができる。即ち、単位面積あたりのパワ
ー（Ｐ／Ａ）を減少させることができる。従つ
て、磁区精練による鉄損の著しい改善を行なう場
合に、被覆損傷の危険性をより少なくできる。

楕円形のスポツトを用いた場合の典型的な鉄損
減少を第３図のカーブＢに示す。図から明らかな
ように、楕円形のスポツトを用いた場合は、円形
のスポツトを用いた場合に比べてより小さなＥ／
A_v値によつて同程度の鉄損減少が得られる。

より扁平した長楕円形、即ち長軸と短軸との比
がより大きな楕円形のスポツトを用いた場合は、
カーブＣに示すように更に改善が見られる。この
試験では、用いたレーザの出力パワーに限界があ
るため、Ｋ（Ｅ／A_v）の値が13より大きい領域に
ついての測定は行なわれなかつた。

楕円形のスポツトを作るために、フラツトフイ
ールドレンズ１２から出たビーム１３は大きなシ
リンドリカルレンズ１４を通る。このシリンドリ
カルレンズ１４は、鋼板１の走査方向が、鋼板１
の移動方向に対してほぼ直角になるようにその長
軸方向が決められる。従つて場合によつては、シ
リンドリカルレンズ１４の長軸が鋼板１の移動方
向に対して斜めに置かれる事も考えられるが、走
査速度が鋼板の移動速度に比べて大きい場合に
は、シリンドリカルレンズ１４は、鋼板移動方向
に対してほぼ直角方向に向けられよう。本実施例
では、焦点距離が４インチのシリンドリカルレン
ズが用いられ、このレンズによつて移動鋼板１の
表面に照射されるビームの幅が約0.2mmにまで狭
められる。シリンドリカルレンズ１４によつて走
査レーザビームの焦点調節を行なうことにより、
要求どおりの長さの走査線を作ることができるだ
けでなく、鋼板の移動方向についての走査線幅を
減少させ、鋼板表面の照射点における照射エネル
ギーを増加させることができる。

本発明の概念および原理は特許請求の範囲で述
べたとおりであり、この特許請求の範囲に述べら
れている本発明の本質を説明するために今まで詳
述してきた材料、工程、部材の配置についての詳
細については種々の異なつたものが考えられるこ
とは当然である。例えば上述した本発明の内容
は、等軸異方性珪素鋼、あるいは高透磁率異方性
珪素鋼のレーザ処理に限られるものではない。本
発明は、精練することによつてかなり鉄損改善が
みられる程度の磁区の大きさをもつたあらゆる磁
気物質に利用することができる。

もう１つ付け加えておくと、これまでに技術者
達は特殊な製法と、それに続く磁場中でのアニー
ルとによつて、鉄損の少ないアモルフアス磁性材
料の製造方法を開発してきた。このアモルフアス
磁性材料の鉄損が少ないのは、潜在的に厚みが小
さく、抵抗率が高く、そして組成を望みどおりに
できるためである。それにもかかわらずアモルフ
アス材料は、結晶粒の境界、転位、副結晶粒の境
界といつた結晶における欠陥が存在しないという
理由で、脚光を浴びていない。これらの結晶にお
ける欠陥は、異方性珪素鋼のような結晶材料では
磁区の大きさを減少させることが知られている。
従つて、アモルフアス材料の磁区は大きくなり、
理論上可能な最小限の鉄損を達成するのを妨げて
いるのである。

本発明によると、鍛造されたアモルフアス材料
は、薄い絶縁被覆が施される。その後、本発明に
係るレーザ処理が行なわれ、鉄心等に成型され、
磁場中でアニールされる。レーザ処理によつてな
された磁区精練はこのアニール中も維持される。

レーザ処理中、アモルフアス料料磁化方向に対
して横方向、あるいはほぼ横方向にレーザ照射が
行なわれる。（鍛造された場合は、通常スピンの
向きが磁化方向となる。）レーザビームは欠陥列
を誘起し、新しい磁区の核を形成させる。このよ
うにして生じたアモルフアス材料のシートの囲う
領域のより小さな磁壁は、交流磁場のもとで鉄損
を減少させる働きをする。

最後に本発明に係る走査系は他のタイプのレー
ザによる材料処理、即ち溶接、合金溶融、熱処
理、穴あけ、切断、けがき、表面合せ板金、とい
つた材料を有益な状態にするための工作工程にも
用いることができる点を述べておく。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に関連して、鋼板についての幾
何学的相互位置関係を示す説明図、第２図は本発
明に係る方法において、円形レーザスポツトを用
いた場合の鉄損の改善を示すグラフ、第３図は本
発明に係る方法において、種々の形のレーザスポ
ツトを用いた場合の鉄損改善を示すグラフ、第４
図は本発明に係る光学走査方法の説明図である。 １……鋼板、２……鋼板の移動方向、３……レ
ーザビーム、４……レーザ、５……アツプコリメ
ータ、６，６ａ……コリメートされたビーム、７
……平面鏡、８……回転多面鏡の一面、９……回
転多面鏡、１０……回転多面鏡の回転方向、１１
……多面鏡で反射したビーム、１２……フラツト
フイールドレンズ、１３……ビーム、１４……シ
リンドリカルレンズ、１５……ビーム。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 複数の磁区および絶縁被覆を有する型の磁性
   材料でできた長さが不定の板片をほぼ一定の速度
   で移動させながらレーザビームを照射することに
   より鉄損を改善する磁性材料板の製造装置におい
   て、 幅の狭いレーザビームを発生するレーザと、 前記レーザビームの広がり角を減少させて幅の
   広いコリメートされたレーザビームに変えるコリ
   メータと、 前記コリメートされたレーザビームを前記板片
   の移動方向とほぼ直角に走査して走査線間間隔お
   よび照射時間を制御する回転多面鏡と、 前記走査されたレーザビームを焦点調節するこ
   とにより、前記絶縁被覆に損傷を与える程ではな
   いが、磁区精練を行うに充分な程度のエネルギー
   密度を有する幅の狭いレーザビームを発生するフ
   ラツトフイールドレンズと、 前記フラツトフイールドレンズによつて発生さ
   れたレーザビームを焦点調節することにより前記
   板片の表面に細長い楕円形のスポツトを形成させ
   るシリンドリカルレンズとを備えていることを特
   徴とする磁性材料板の製造装置。 ２ レーザが連続発振レーザである特許請求の範
   囲第１項記載の磁性材料板の製造装置。 ３ レーザがNd：YAGレーザである特許請求の
   範囲第２項記載の磁性材料板の製造装置。