JPH07188774A - 方向性電磁鋼板の鉄損改善処理装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 テレスコープと回転チョッパの組合せによる
Ｑスイッチ装置を用いたＱスイッチＣＯ₂ レーザにおい
て、レーザ出力、空間モードの長時間にわたる安定性を
確保し、３０kHz 以上の繰り返し周波数を実現し、それ
を電磁鋼板上に集光し、走査照射することによって、幅
の広い、高い信頼性と高い鉄損特性を同時に実現する方
向性電磁鋼板を得るための鉄損改善処理装置を提供す
る。 【構成】 レーザ発振器が、一対の集光光学系で構成さ
れるテレスコープとその共焦点位置に配された回転チョ
ッパからなるＱスイッチ装置と、出力鏡が共振器側に凹
面を持つメニスカス形状の部分透過鏡から構成され、照
射光学系が平面全反射鏡と、ポリゴン鏡による回転スキ
ャンニング装置と放物面鏡からなるｆθ集光系によって
構成されるものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は鉄損特性、磁歪特性に優
れた方向性電磁鋼板の製造装置に関し、特にパルスＣＯ
₂ レーザビーム照射によってその磁気特性を大幅に改善
する処理装置に係わる。

【０００２】

【従来技術】従来、レーザビームによる磁気特性の優れ
た方向性電磁鋼板とその製造方法及び装置として、多く
の手段が提唱されてきており、なかでも特公昭５７−２
２５２号公報に開示されているレーザビーム照射による
鉄損値の改善方法は、その改善効果の大きさ、ならびに
非接触加工であることに起因する信頼性の高さや制御性
の良さから、この方法による磁気特性の優れた方向性電
磁鋼板が広く実用に供されている。この装置はレーザビ
ームを照射する事によって生じる熱衝撃波の反力によっ
て方向性電磁鋼板の磁区を細分化することにより、ヒス
テリシス損失の増加を抑えたまま渦電流損失の低下を図
るものであり、具体的には、電磁鋼板の表面にパルスレ
ーザビームを圧延方向にほぼ直角に瞬時的に照射し鋼板
に局部的なレーザ照射痕を形成させることにより方向性
電磁鋼板の鉄損改善を実現している。

【０００３】特開昭５８−１９４４０号公報ではレーザ
ビームの照射装置しての走査装置を開示している。この
従来装置では、レーザ発振器、すなわち照射装置の大型
化（高周波数化、高出力化）が出来ない状況から、均一
照射を確保するためには、走査幅に限界があり複数レー
ザビームによる複数領域への照射が必要であることを述
べている。つまり、図５に示すように複数のレーザビー
ム１と複数の照射光学系１３を用いて、鋼板全幅を複数
の領域に分割し、鋼板の走行速度およびレーザ出力に対
応して鋼板全幅にわたって所望の間隔で、かつ一様な大
きさの照射痕を得て鉄損特性の改善を図っている。ここ
で、複数領域での照射においては、鋼板幅方向での非照
射領域の発生を防止するために、それぞれの領域の端部
で照射痕の一部がオーバーラップするような構成にせざ
るを得ない。このオーバーラップ領域はそれぞれの発振
器に対応するレーザ照射点を圧延方向に一致させること
が困難であり、照射点がずれた構成になること、さらに
鋼板が搬送中に僅かながら蛇行することを勘案した場
合、３〜１０mm程度を確保することが必要になる。従っ
て、スキャニング幅が１００mmの場合、鋼板幅方向全体
の３〜１０％は二重照射が行われることになる。

【０００４】本発明者らは図６に示すごとく、規格化さ
れた入熱量すなわちオーバーラップ領域の増加にともな
い鉄損改善幅が劣化することを確認している。図の横軸
は二重照射領域の割合（％）である。図の縦軸は正規化
された鉄損改善率であり、二重照射領域が存在しない鋼
板の鉄損改善率を基準（１．０）としている。図より、
二重照射領域の増加にともなって、鉄損改善率が低下す
ることがわかり、１０％の二重照射領域が存在する鋼板
においては、二重照射領域が存在しない鋼板の０．９倍
の鉄損改善率しか得られないことがわかる。

【０００５】以上の劣化は、鋼板全体としての平均的な
鉄損改善幅の劣化を評価したものである。さらに、変圧
器鉄芯に使用するために鋼板を切り出す場合、二重照射
領域の比率が高くなる事が懸念され、さらに鉄損値が悪
い状況での変圧器の組立、もしくは二重照射領域をさけ
て鋼板を切り出す事に起因する歩留り低下、という実用
的な大きな問題点が生じる。

【０００６】特開昭５８−１９４４０号公報の実施例に
おいては、全幅Ｗ＝１０００mmの仕上げ焼鈍済の方向性
電磁板を走行速度Ｖ＝５００mm/sで走行させ１０台のレ
ーザ照射ユニットを幅方向に設置し、それぞれの照射幅
ｗ＝１００mmで、圧延方向の照射間隔ｌ＝５mm、鋼板幅
方向の照射間隔ｄ＝０．５mmとなるように反射鏡の振動
周波数ｆm を７１Hzで往復運動させて、周波数ｆQ ＝２
０kHz のパルスレーザ装置により、スキャニング照射し
ている。なお、パルス当たりの照射エネルギーはＥ＝４
mJである。しかし、上記の二重照射領域を考えると、こ
の場合１１台のレーザ照射ユニットが必要となることが
わかる。つまり、特開昭５８−１９４４０号公報では照
射パターンの不連続部分あるいは不均一部分の存在を余
儀なくされ、鋼板全面での入熱量の均一化に問題があ
る。以上の問題点はすべて、鉄損改善処理装置の狭処理
幅が原因であった。

【０００７】鋼板全域にわたる処理を考えると、一台の
照射ユニットの照射幅が広がれば上記の二重照射領域の
割合は減少するので、鉄損改善率の向上に関しても、レ
ーザ照射ユニット数の削減のためにもその効果は大きい
が、そのためにはレーザ発振器の高繰り返し周波数化と
高平均出力化の同時達成が必須であった。加えて、照射
幅を広げるためには、鋼板上でのレーザ集光径を極力均
一に保つために、焦点距離の長いｆθ集光光学系を使用
する必要があるが、長焦点集光系では、ビーム集光径が
大きくならざるを得ない。仮にｆθ集光光学系の焦点距
離を１．５倍にすると、焦点位置でのビーム径は、ほぼ
１．５倍になる。レーザビームの集光径が変化した場
合、同等な鉄損改善幅を実現するためには、ほぼ同等の
パルスエネルギー密度が要求されると考えられるので、
パルスエネルギーとしては（１．５）² ＝２．３倍のエ
ネルギーが必要となる。つまり、パルス発振周波数の増
加分の２倍以上の高出力化が必要となる。さらに、発振
器には高出力化と同時に、集光径を決定するビーム品質
すなわち空間モードの高品質化およびその安定性が要求
される。

【０００８】ところが、各パルスエネルギーを減少する
事なく、発振周波数を増加させることは従来のレーザで
は不可能であった。従来、方向性電磁鋼板の鉄損改善処
理装置に用いられてきたレーザ発振器の問題はこの点で
あり、その理由を以下に述べる。

【０００９】電磁鋼板の処理装置には、先ず、時間幅の
短いパルスで発振可能なＱスイッチＹＡＧレーザが用い
られてきた。ＹＡＧレーザにおいては、音響光学素子を
Ｑスイッチ素子として用い、１００nsec程度のＱスイッ
チ発振を行うことが可能である。音響光学素子で共振器
のＱ値を制御する場合、その平均出力（パルスエネルギ
ー×パルス繰り返し周波数）は回折効率によって最大値
が規定され、およそ１００Ｗ程度が上限である。この条
件下で処理に必要なパルスエネルギーを確保するために
は、パルス繰り返し周波数１０kHz 程度が限界である。

【００１０】上記のパルス繰り返し周波数の制約条件下
においては、鋼板幅がおよそ１ｍの電磁鋼板を数１０ｍ
／分の速度で処理するためには、鋼板の幅を１０〜３０
分割し、それぞれの領域に１台ずつのレーザを設けなけ
ればならない。従って、処理装置としては１０〜３０台
のレーザが設置されることになり、この内の１台でも不
調を来した場合は処理の中断を余儀なくされる。ここで
一般にＹＡＧレーザの励起には連続波アークランプが用
いられ、その寿命は標準的には１０００時間であり、更
にレーザ発振器の共振器用光学部品の寿命もあるため、
一定のメンテナンス周期を考慮しなくてはならない。こ
のメンテナンス頻度はレーザ発振器の台数が多くなるほ
ど高くなるため、処理ラインの定常的動作並びに信頼性
の確保の点で問題点を抱えていた。

【００１１】ところで、特公昭５９−５３６８４号公報
においては、電磁鋼板処理装置に使用するレーザ発振器
としてはＹＡＧレーザ以外にもＱスイッチング可能なル
ビーレーザや、ＣＯ₂ レーザ、Ａｒレーザ、ＣＯレーザ
等の連続発振レーザなど任意のレーザを使用する事がで
きると開示されている。しかるに、上記公報において
は、レーザビームと鋼板の相互作用に重大な影響を及ぼ
す要因であるレーザビームのピークパワー密度、パルス
幅を何等規定しておらず、また、具体的な構成も示され
ていない。

【００１２】特に、高平均出力レーザとして知られてい
る従来のＣＯ₂ レーザは、連続波発振ＣＯ₂ レーザをＱ
スイッチレーザに改造することで、平均出力が数百Ｗ以
上と大きく、数１０kHz 以上の高繰り返しパルス発振を
得ることが可能である。しかしながら、このレーザを電
磁鋼板処理装置に使用する場合、電磁鋼板を処理する際
に重要となる、レーザ発振器のレーザ出力、空間モード
の長時間にわたる安定性を確保することに問題があっ
た。その理由を以下に説明する。

【００１３】ＱスイッチＣＯ₂ レーザを実現する手段と
しては共振器内に過飽和吸収体を挿入する方法、電気光
学素子を用いる方法、回転鏡を共振器に組み込む方法、
テレスコープと回転チョッパの組合せからなるＱスイッ
チ装置を共振器内に挿入する方法、ファブリペローエタ
ロンを共振器内に挿入する方法などが提案されている
が、制御性、安定性に優れている点から回転チョッパと
テレスコープの組合せを用いる方法が主流であり、その
一例がGas Flow & Chemical Lasers (GCL) Conference
Proceedings, Viena 1988,Vol.1031,SPIE,p48 に示され
ている。

【００１４】この構成は図２（ｂ）に示すごとく共振器
内部に放電筐体部２と大気を遮断するための平面全透過
窓１２およびテレスコープを構成する２枚の集光レンズ
５、５′の合計３枚の光学素子、並びに回転チョッパ６
が挿入されている。この方式ではＱスイッチ速度を極力
速くするため、共振器内で集光位置をもうけ、その位置
で、回転チョッパによってスイッチングを行っている。
そのため２枚の集光レンズ５，５′を共焦点条件で共振
器内に導入しているが、この条件を達成するために図中
で定義される、ｘ，ｙ，ｚ方向でそれぞれ微調整する必
要がある。さらに出力鏡１１もθ、φ方向で調整をする
必要があり、この共振器形態では、非常に多岐にわたる
調整機能が必要となる。

【００１５】ここで回転チョッパ６は高速で回転するた
め、多少の振動と空気擾乱を引き起こす。多くの調整機
構の存在は外部擾乱にたいする光学素子の不安定性を生
じる要因となり、この従来例では、長時間にわたる共振
器のアライメントの安定性確保が困難であった。その結
果、レーザ出力、空間モードの安定性の観点で問題点が
あった。レーザ出力の不安定性はパルスエネルギー値の
ばらつきの要因となり、鋼板への入熱量の長時間にわた
る均一化を阻害する。また、空間モードの不安定性によ
り集光径が変化する為、鋼板上でのエネルギー密度（J/
cm² ）の不均一性が生じ、処理前半と処理後半で鋼板の
磁気特性にばらつきが生じるという問題点がある。ま
た、共振器内部に３枚の光学素子を挿入することによ
り、共振器の損失が増加することで、レーザ発振効率、
すなわち、パルスエネルギーが低下するという問題点も
生じていた。よって、従来のパルスＣＯ₂ レーザでは長
時間にわたるレーザ出力特性、レーザビーム集光特性の
信頼性が乏しいがゆえに方向性電磁鋼板の鉄損改善処理
装置への適用は困難であった。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】本発明はＱスイッチパ
ルスレーザを用いて方向性電磁鋼板に圧延方向にほぼ直
角に、レーザビームを走査、照射し、方向性電磁鋼板の
鉄損を改善する装置において、電磁鋼板を処理する際に
重要となる、レーザ出力、空間モードの長時間にわたる
安定性を確保する高繰り返しＱスイッチＣＯ₂ レーザを
簡便な構成で実現し、同時にポリゴン鏡、放物面集光鏡
からなる集光走査光学系を構成することにより、従来の
電磁鋼板処理装置におけるレーザ発振器の限界周波数に
起因する二重照射領域による鉄損改善率低下という問題
点を解決し、幅の広い、高い鉄損改善特性を同時に実現
する方向性電磁鋼板の鉄損改善処理装置を提供すること
を目的としている。

【００１７】

【課題を解決するための手段】本発明は、共振器内に共
焦点テレスコープと回転チョッパよりなるＱスイッチ装
置を組み込んだＱスイッチＣＯ₂ レーザにより、方向性
電磁鋼板の鉄損を改善する装置において、テレスコープ
を構成する光学系のうち、出力側の集光光学素子が共振
器側に凹面を持つメニスカス形状の部分反射鏡からなる
レーザ出力鏡であり、該メニスカス形状のレーザ出力鏡
両面の曲面形状が球面であり、集光光学素子が透過型球
面もしくは非球面の集光レンズであり、テレスコープの
共焦点位置でのレーザビーム集光形状が点状であるＱス
イッチＣＯ₂ レーザと、ポリゴン鏡と放物面鏡からなる
集光走査光学系によって構成されることを特徴とする方
向性電磁鋼板の鉄損改善処理装置を要旨とする。

【００１８】

【作用】以下に本発明を詳細に説明する。図１は本発明
に係わる方向性電磁鋼板の鉄損改善処理装置の構成を模
式的に示したものであり、ＱスイッチＣＯ₂ レーザ発振
器部分と集光走査光学系部分から成る。

【００１９】先ず始めに発振器部分に関して説明する。
通常の連続波共振器は図２（ａ）に示すごとく放電部筐
体２と大気の遮断位置に部分透過鏡である出力鏡１１が
設置された構成である。本発明による構成では図１のご
とく、大気と筐体内部の遮断位置にテレスコープレンズ
５が設置される。このレンズ５の焦点距離はＱスイッチ
速度が回転チョッパ６の線速度とレーザビームの集光径
に依存するので、所望のレーザビーム集光径から決定さ
れる。次に、大気中のレーザ光軸上の位置に共振器側に
凹面を有し、反対側に凸面を有するメニスカス形状の部
分反射鏡からなる出力鏡４が設置される。レンズ５によ
って集光され、その後拡散したレーザビーム１は、部分
反射コーティングが施された出力鏡４の凹面で一部のパ
ワーが反射される。ここで、凹面曲率並びにレンズ５と
出力鏡４の間隔は、凹面で反射されたレーザビーム１が
入射ビームのプロフィルと一致するように、すなわちテ
レスコープを構成するように設定される。以上の系によ
って構成されるテレスコープの共焦点位置Ｆには、回転
チョッパ６が設置されＱスイッチングが実現される。次
に出力鏡４の凹面を透過した入射パワーの一部のレーザ
ビーム１は、出力鏡４を伝搬した後出力鏡４の凸面で屈
折を受けＱスイッチパルスレーザ出力として取り出され
る。ここで出力鏡４の凸面の曲率は、取り出されたレー
ザビーム１がほぼ平行にコリメートされた状況になるよ
うに決められる。

【００２０】以上の構成において要求される光学素子の
調整機構は、出力鏡４のｚ，θ、φの３軸のみであり、
通常共振器の出力鏡１１の調整機構であるθ、φに比べ
て１軸方向の調整機構が付加されたものであると同時
に、図２（ｂ）の構成に比べると大幅に自由度が削減さ
れている。従って従来発振器よりも長時間にわたる共振
器アライメントの安定性すなわちレーザ出力、並びに空
間モードの安定性が改善される。更に図２（ｂ）の構成
に比べるとＱスイッチオペレーションの為に共振器内部
に挿入される付加的な光学素子の数は３個から１個に減
少している。共振器内に配置する光学素子には減反射コ
ーティングが施されるが、そのコーティングの透過率は
９９％程度であり、僅かながら、反射もしくは吸収損失
が存在し、これが共振器損失の要因となる。よって本発
明においては、従来の回転チョッパによるＱスイッチＣ
Ｏ₂ レーザと比較して光学素子数が２枚減少したことに
より発振効率の改善が可能となる。

【００２１】図３は、パルス繰り返し周波数９０kHz で
Ｑスイッチ発振した場合の、ＱスイッチＣＯ₂ レーザの
パルス波形を示したものである。初期スパイク部分はＱ
スイッチレーザ特有のジャイアントパルス発振部であ
り、その半値幅は放電励起強度、レーザ共振器長、パル
ス繰り返し周波数によって逐次変化するが、その範囲は
１０nsec以上、１μsec 以下である。さらにこのＱスイ
ッチＣＯ₂ レーザのパルスビームの初期スパイク後に長
いテイル部分を伴っている。これは、主としてレーザ媒
質中に含まれるＮ₂ の励起分子からＣＯ₂ 分子のレーザ
上準位への衝突によるエネルギー移剰によって発振して
いるレーザパルスの一部である。このテイル部の最大長
さは衝突エネルギー移乗の時定数によって決定され、お
よそ１０μsec でる。これは、ＱスイッチＹＡＧレーザ
では見られないＱスイッチＣＯ₂ レーザに特有のパルス
テイルである。尚、回転チョッパを用いたＱスイッチン
グにおいては、レーザビームの透過スリット幅を適宜変
更することによりパルステイル長を制御することが可能
である。

【００２２】Ｑスイッチ発振時のパルス繰り返し周波数
の最大値は、共振器Ｑ値の上昇後、Ｑスイッチパルス発
振に至る迄の遅延時間と、共振器Ｑ値が低い間にレーザ
上準位へエネルギーが蓄積される時間の兼ね合いによっ
て決定されるが、一般の連続波発振ＣＯ₂ レーザを用い
てＱスイッチ発振させる場合、１００kHz 程度までの周
波数が実現可能である。

【００２３】ＣＯ₂ レーザの回転チョッパによるＱスイ
ッチングの場合、ＹＡＧレーザにおいて問題となった音
響光学素子による平均出力上限が原理的にないことか
ら、上記のごとく高平均出力化が可能であり、この値
は、典型的なＱスイッチＹＡＧレーザの１０台分以上の
出力値に匹敵する。それゆえパルス繰り返し周波数を高
くしても、磁気特性改善に必要なパルスエネルギー値の
確保が可能となる。

【００２４】以上の作用により、発振器に関する問題点
を解決した為、１台のレーザ発振器による長焦点ｆθ集
光光学系を用いた広範囲にわたる照射装置の構成が可能
であり、鋼板全体にわたる二重照射領域を低減できるた
め、鉄損改善率の優れた電磁鋼板を得ることができる。
また、発振器のレーザ出力及び空間モードの安定性が向
上するため、各パルスごとの集光径および、パルスエネ
ルギーのばらつきは発生せず、電磁鋼板のコイル全体に
わたって、かつ局所的にも均一なレーザ処理を行うこと
が可能となる。

【００２５】次に、上記のＱスイッチパルスＣＯ₂ レー
ザビームを方向性電磁鋼板に照射するための、光学系の
作用について説明する。

【００２６】「従来例」の項で記述した様に照射幅が広
いほど鉄損改善効果には有利であるが、照射幅は放物面
鏡９の有効径が大きいほど広くなる。すなわちポリゴン
鏡８を回転させ、放物面鏡９の有効径の範囲内にビーム
をスキャンする事で走査照射幅が決定される。照射幅は
ｆθ集光系による焦点位置、すなわち鋼板上でのビーム
径の均一性により規定される。焦点位置でのビーム半径
ｒはガウスモードのレーザビームに対して下記（１）式
によって示される。 ｒ＝λＦ_L ／πＤ ………（１） ここでλはレーザの波長、Ｄは放物面鏡９に入射するビ
ームの半径、Ｆ_L は焦点距離である。

【００２７】一般的な最適鋼板幅方向照射間隔は、０．
３〜０．５mmであるから、集光直径は０．３mm以下であ
ることが要求される。波長１０．６μm 、ビーム直径
２．７cmのＣＯ₂ レーザが集光された時の集光径が０．
３mm以下になる条件としてＦ_L＜６０cmという値が得ら
れる。この計算は理想的なガウスモードの場合である。
ＣＯ₂ レーザは共振器中にアパーチャを導入することで
比較的ガウスモードに近いビームが得られるので、本発
明においても実際の焦点距離は６０cm程度となる。一般
に放物面鏡９を用いたｆθ集光光学系において、走査幅
全域にわたって均一な集光特性を実現するためには、そ
の焦点距離の１／２程度に走査幅を限定する必要があ
る。さらに長期間にわたる光軸変動による非点収差導入
等に対して安全性を考えて走査幅を更に１／２程度に抑
えることを考えると、上記の条件においては最低限１５
０mm以上を確保することが可能となる。

【００２８】高繰り返し周波数を有するＱスイッチパル
スＣＯ₂ レーザビーム１は平面全反射鏡７で反射され、
ポリゴン鏡８で構成される回転走査装置によって電磁鋼
板１０の板幅方向に走査され、放物面鏡９からなるｆθ
集光光学系によって集光された後、電磁鋼板１０に照射
される。幅Ｗ(mm)の電磁鋼板１０が走行速度Ｖ(mm/s)で
通板方向ＲＤの矢印方向に走行している状態においてポ
リゴン鏡８によりレーザビームを照射する場合について
説明する。コイルが距離ι(mm)移動するのに必要な時間
ｔ(sec) は、下記（２）式で示される。 ｔ＝ι／Ｖ ………（２）

【００２９】この時間の間に、パルス発振周波数ｆQ (H
z)で発振しているレーザを、幅Ｗ(mm)、鋼板幅方向照射
ピッチｄ(mm)の範囲でスキャニング照射すると時間ｔは
下記（３）式で表される。 ｔ＝（Ｗ／ｄ）／ｆQ ………（３） ポリゴン鏡８の一秒間の回転数Ｍ(rps) 、面数Ｎとする
と次の（４）式が成立する。 ｔ＝ｌ／（Ｍ・Ｎ） ………（４）

【００３０】この（２）式、（３）式、（４）式から、
鋼板の走行速度Ｖ(mm ／s)、照射点間隔ｄ(mm)、パルス
発振周波数ｆQ (Hz)、ポリゴン鏡８の一秒間の回転数Ｍ
(rps、面数Ｎ、鋼板の移動距離ι(mm)の間には下記
（５）式の関係が成立する。 ι／Ｖ＝Ｗ／（ｆQ ・ｄ）＝ｌ／（Ｍ・Ｎ） ………（５）

【００３１】従って、この（５）式の関係をみたすよう
に走査照射光学系の諸元を選択することにより、鉄損改
善を引き起こすに最適な間隔にて、パルスレーザを電磁
鋼板に照射することが可能となる。

【００３２】

【実施例】

（実施例１）以下に本発明の実施例を示す。Ｑスイッチ
オペレーションの為に用いた連続波発振ＣＯ₂ レーザは
図２（ａ）に示すような放電励起レーザであり、連続波
出力１．４kW、レーザビーム径２１mmでほぼガウスモー
ドを持つ出力を実現する発振器であり、その共振器長は
６ｍである。全反射鏡３の曲率半径は２０ｍ凹面であ
り、その反射率は９９％である。出力鏡１１は共振器側
の曲率半径が１０ｍ凹面であり、その反射率は１７％、
出力側の曲率半径は１０ｍ凸面であり、表面に１０．６
μｍの波長の光に対する減反射コーティングが施されて
いる。この共振器を利用して図１の構成でＱスイッチオ
ペレーションを行った。出力鏡１１が設置されていた位
置にはＺｎＳｅ製で両面に減反射コーティングを施した
焦点距離が１５０mmのメニスカスレンズ５を配置し、そ
こから３０２．２mmの位置にＺｎＳｅ製の出力鏡４を設
置した。出力鏡４の共振器側曲率半径は１５０mmの凹面
で反射率１７％、出力側曲率半径は１mmの凸面で減反射
コーティングを施してあり、その中心部分の厚みは５mm
であ。テレスコープ共焦点位置Ｆに設置される回転チョ
ッパ６は直径１５３mm、厚み０．４mmのステンレス製円
板であり、直径１４５mmの所に０．６mmの幅を有するス
リット開を円周上に４５０個等間隔に導入し、２００rp
s の回転速度で回転した時にパルス繰り返し９０kHz の
Ｑスイッチ発振を実現するものである。なお、回転チョ
ッパ６の回転速度を調整することで発振周波数を制御す
ることができる。

【００３３】従来例との比較のために図２（ｂ）の構成
として、通常共振器の出力鏡１１の位置に両面に減反射
コーティングを施したＺｎＳｅ平面全透過窓１２を設置
し、更に両面に減反射コーティングを施した焦点距離１
５０mmのＺｎＳｅレンズ５，５′を３００mm間隔配置
し、その中心に前述の回転チョッパ６を据え付け、レン
ズ５’から５０mmの位置に反射鏡１１を設置した構成に
ついてもその出力特性を評価した。

【００３４】出力特性を図４に示す。図の横軸は放電電
力値、図の縦軸はレーザ平均出力である。本発明による
構成では放電電力が１９kWの時に平均出力１０５０Ｗ、
パルスエネルギー１１．７mJの性能が得られた。比較の
ために、図２（ｂ）に示す従来例の構成では、同一放電
入力に対し、平均出力８５０Ｗ、パルスエネルギー９．
４mJの性能で抑えられており、本発明によって、発振効
率は約２０％改善した。更に８時間にわたる発振出力安
定性を放電入力を一定に保持し、評価した結果、レーザ
平均出力の変動幅は従来例の構成では＋２％／−１２％
と定常的な出力低下が見られたのに対し、本発明の構成
では＋２％／−４％と改善された。また、従来例の構成
では、空間モード変動が生じており、共振器アライメン
トの変動に基づくレーザビームの空間モード変動がみら
れたのに対し、本発明の出力変動は冷却水温の周期的な
変動によるものであり、レーザビームの空間モードの変
動はみられず、本発明によれば、共振器アライメントの
経時変化は生じなかったことがわかる。

【００３５】従って本発明によれば、共振器を構成する
光学素子の部品数が削減された結果、発振効率が大きく
改善されたと共に、光学素子の自由度の減少に伴い、共
振器アライメントひいてはレーザ出力の長時間の安定性
が大幅に改善され、鋼板上でのビーム径およびパルスエ
ネルギーの長時間にわたる均一性が向上し、電磁鋼板の
処理装置への適用が可能となった。

【００３６】上記パルスレーザを用い、照射した電磁鋼
板の実施例を以下に示す。鋼板の走行速度Ｖが６５０mm
/secで、幅４３０mmの電磁鋼板の照射域を３分割し、れ
ぞれの照射域を幅約１５０mmを走査幅として、パルス繰
り返し周波数９０kHz 、波長１０．６μm のレーザを集
光し、初期スパイク部のパルス半値幅２５０nsec、パル
ステイル２μsec のＱスイッチＣＯ₂ レーザパルスを、
初期スパイク部のピークパワー密度を２×１０⁷ W/cm²
としてレーザ走査方向に０．５mm間隔、鋼板圧延方向に
６．５mm間隔で照射した。二重照射領域は２０mmで全照
射幅の４．７％である。その結果、全鋼板幅を均一に照
射したＱスイッチＣＯ₂ レーザによる照射材は磁気歪み
の増加は極めて少ない状況で全鉄損値（Ｗ17/50 ）を１
１％改善できることが判明した。比較のためにパルス繰
り返し周波数１１．４kHz 、波長１．０６μm のＱスイ
ッチＹＡＧレーザを９台使用し、各チャンネルの照射範
囲を５７mmとして電磁鋼板の照射幅方向の範囲を９分割
し、他のレーザ照射条件を同一にしてレーザ照射を行っ
た。二重照射領域は８０mmで全照射幅の１８．６％であ
る。その結果鉄損改善幅は８．６％であり、本発明によ
れば従来例と比較して２．４％も鉄損改善率が上昇し
た。ここで鉄損改善率１％の向上は、大容量の変圧器鉄
心に利用する場合、大幅な変圧器の効率向上につながる
ため、実用上極めて大きな効果である。設備の複雑さお
よび鉄損改善効果等を比較すると、本発明の鉄損改善効
果および経済効果も多大で、実用上極めて大きな効果で
ある。

【００３７】（実施例２）レーザ発振器に関しては回転
チョッパ６の仕様を除いて実施例１と同様である。回転
チョッパ６は、直径１５３mm、厚み０．４mmのステンレ
ス製円盤であり、直径１４５mmの所に０．７mmの幅を有
するスリット開口を円周上に３００個等間隔に導入し、
２００rps の回転速度で回転した時にパルス繰り返し６
０kHz のＱスイッチ発振を実現するものである。この場
合の実施例を示す。鋼板の走行速度Ｖが６５０mm/sec
で、幅２９０mmの電磁鋼板の照射域を２分割し、それぞ
れの照射域を幅約１５０mmを走査幅として、パルス繰り
返し周波数６０kHz 、波長１０．６μm のレーザを集光
し、初期スパイク部のパルス半値幅２５０nsec、パルス
テイル２μsec のＱスイッチＣＯ₂ レーザパルスを、初
期スパイク部のピークパワー密度を２×１０⁷ W/cm² と
してレーザ走方向に０．５mm間隔、鋼板圧延方向に６．
５mm間隔で照射した。二重照射領域は１０mmで全照射幅
の３．４％である。その結果、全鋼板幅を均一に照射し
たＱスイッチＣＯ₂ レーザによる照射材は磁気歪みの増
加は極めて少ない状況で全鉄損値（Ｗ17/50 ）を１１．
２％改善できることが判明した。従来のパルス繰り返し
周波数１０kHz 程度、波長１．０６μm のＱスイッチＹ
ＡＧレーザにて、この幅３００mmの電磁鋼板の照射処理
には６分割以上の照射が必要となり、設備の複雑さおよ
び鉄損改善効果等を比較すると、本発明の鉄損改善効果
および経済効果も多大で、実用上極めて大きな効果であ
る。

【００３８】

【発明の効果】以上に説明したごとく本発明のＱスイッ
チＣＯ₂ レーザを用いた電磁鋼板処理装置によって１５
０mm以上の均一レーザ痕のパターンを可能にしたことで
磁気特性の優れた電磁鋼板を得ることが可能となった。
この電磁鋼板は磁気歪みを抑制し、鉄損改善と安定な磁
気特性の大きな改善効果を有している。

【００３９】以下に、鉄損改善に関する具体的な効果の
試算結果を示す。本発明中の実施例で用いた方向性電磁
鋼板の全鉄損は約０．８４W/kgであるので、実施例の結
果を用いると本発明により改善される全鉄損値△Ｗは全
体の２．４％で０．０２０W/kgとなる。方向性電磁鋼板
の最も一般的な用途は送電用の柱状トランスであるが、
この場合１kVA の電力量当たり２．０kgの電磁鋼板を必
要とする。したがって本発明により柱状トランスにおい
て１kVA の電力に対し約０．０４Ｗの省エネルギーが実
現できる。現在、電力コストは２０円/kWhr 程度であ
り、力率を０．８とすると、本発明により０．０４W/
０．８kW×２０円/kWhr ＝１．１１×１０^-3円/kWhr の
電力コスト削減が可能となる。日本国内での総消費電力
は年間６０００〜７０００億kWhrであることから、本発
明を適用する事で削減される電力コストは年間で１．１
１×１０^-3円/kWhr ×６０００〜７０００億kWr/年＝
６．７〜７．８億円／年となり、本発明による効果は非
常に多大なものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の方向性電磁鋼板の鉄損改善処理装置の
構成ならびに実施例を示す図である。

【図２】（ａ）は通常の連続波発振ＣＯ₂ レーザの典型
的な共振器構成を示す模式図であり、（ｂ）は従来のＱ
スイッチＣＯ₂ レーザ共振器を示す模式図である。

【図３】ＱスイッチＣＯ₂ レーザの典型的なパルス発振
時間波形である。

【図４】本発明と従来例によるＱスイッチＣＯ₂ レーザ
の平均出力特性比較図である。

【図５】従来例を説明する模式図である。

【図６】二重照射領域に対する鉄損改善率の低下を示す
図である。

【符号の説明】

１ レーザビーム ２ 放電部筐体 ３ 全反射鏡 ４ 本発明によるメニスカス形状の出力鏡 ５，５′ テレスコープレンズ ６ 回転チョッパ ７ 平面全反射鏡 ８ ポリゴン鏡 ９ 放物面鏡 １０ 電磁鋼板 １１ 従来の連続波ＣＯ₂ レーザの出力鏡 １２ 平面全透過窓 １３ 従来例における集光走査光学系 Ｆ テレスコープ間の共焦点位置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｂ２３Ｋ 26/06 Ｊ Ｈ０１Ｆ 1/16 Ｈ０１Ｓ 3/11 (72)発明者 南田 勝宏 神奈川県相模原市淵野辺５−10−１ 新日 本製鐵株式会社エレクトロニクス研究所内 (72)発明者 佐藤 博彦 福岡県北九州市戸畑区飛幡町１番１号 新 日本製鐵株式会社八幡製鐵所内 (72)発明者 太田 敏隆 福岡県北九州市戸畑区飛幡町１番１号 新 日本製鐵株式会社八幡製鐵所内 (72)発明者 清藤 哲生 福岡県北九州市戸畑区大字中原46−59 新 日本製鐵株式会社機械・プラント事業部内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 共振器内に共焦点テレスコープと回転チ
   ョッパよりなるＱスイッチ装置を組み込んだＱスイッチ
   ＣＯ₂ レーザにより、方向性電磁鋼板の鉄損を改善する
   装置において、テレスコープを構成する光学系のうち、
   出力側の集光光学素子が共振器側に凹面を持つメニスカ
   ス形状の部分反射鏡からなるレーザ出力鏡であり、該メ
   ニスカス形状のレーザ出力鏡両面の曲面形状が球面であ
   り、集光光学素子が透過型球面もしくは非球面の集光レ
   ンズであり、テレスコープの共焦点位置でのレーザビー
   ム集光形状が点状であるＱスイッチＣＯ₂ レーザと、ポ
   リゴン鏡と放物面鏡からなる集光走査光学系によって構
   成されることを特徴とした方向性電磁鋼板の鉄損改善処
   理装置。