KR20170015455A - 레이저 가공 장치 - Google Patents

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KR20170015455A
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Abstract

방향성 전자 강판에 레이저 빔을 집광하여 주사 방향으로 주사하여, 상기 방향성 전자 강판의 자구를 세분화하기 위한 레이저 가공 장치에 있어서, 상기 방향성 전자 강판에 집광되는 레이저 빔이 직선 편광이고, 상기 직선 편광의 배향과, 상기 주사 방향이 이루는 각도가 45° 초과 90° 이하이다.

Description

레이저 가공 장치{LASER MACHINING DEVICE}
본 발명은 트랜스의 철심 등에 사용되는 방향성 전자 강판에 대하여 레이저 빔을 조사하여 자구를 세분화하는 레이저 가공 장치에 관한 것이다.
방향성 전자 강판은, 강판 제조 시의 압연 방향에 대하여 자화되기 쉽다고 하는 특징을 갖고 있다. 그 때문에, 방향성 전자 강판은, 일방향성 전자 강판이라고도 불리고 있다. 방향성 전자 강판은, 트랜스, 회전기 등의 전기 기기의 철심을 구성하는 소재로서 사용된다.
방향성 전자 강판이 자화될 때, 철손 등의 에너지 손실이 발생한다. 최근에는, 지구 온난화의 진행에 수반하여, 전기 기기의 에너지 절약화가 세계적으로 요구되고 있다. 따라서, 방향성 전자 강판의 철손을 보다 저감 가능한 기술이 필요하다.
철손은, 와전류손과 히스테리시스손으로 분류된다. 와전류손은, 고전적 와전류손과 이상 와전류손으로 분류된다. 고전적 와전류손을 저감하기 위해, 표면에 절연 피막이 형성되고 또한 얇은 판 두께를 갖는 방향성 전자 강판이 알려져 있다. 예를 들어 하기 특허문헌 1에는, 강판 지철의 표면에 형성된 유리 피막과, 유리 피막의 표면에 형성된 절연 피막을 갖는 방향성 전자 강판이 개시되어 있다.
예를 들어, 하기 특허문헌 2 및 3에는, 이상 와전류손을 억제하는 것이 가능한 레이저 자구 제어법이 개시되어 있다. 이 레이저 자구 제어법에서는, 절연 피막이 형성된 방향성 전자 강판의 표면에 레이저 빔이 조사되고, 방향성 전자 강판의 대략 폭 방향(즉, 방향성 전자 강판의 압연 방향에 대하여 대략 직교하는 방향)을 따라서 레이저 빔이 주사된다. 그 결과, 방향성 전자 강판의 표면(즉, 지철의 표면)에, 압연 방향을 따라서 복수의 잔류 변형이 주기적으로 형성되어, 방향성 전자 강판의 자구가 세분화된다.
이 레이저 자구 제어법에 의하면, 레이저 빔의 주사에 의해, 방향성 전자 강판의 최표층에, 판 두께 방향에 대하여 강한 온도 구배를 갖는 온도 이력이 부여된다. 이와 같은 온도 이력이 부여됨으로써, 방향성 전자 강판의 지철의 표면에 잔류 변형이 발생하고, 그 잔류 변형이 원인으로 환류 자구가 형성된다. 이 환류 자구에 의해, 180° 자벽 간격이 세분화되고, 그 결과, 방향성 전자 강판의 이상 와전류손이 저감된다.
상기한 바와 같이, 지철 표면에 형성된 환류 자구에 의해, 180° 자벽 간격이 세분화되고, 그 결과, 이상 와전류손이 저감된다. 그러나, 지철 표면에 형성된 환류 자구는, 히스테리시스손을 증가시키는 요인으로 된다. 따라서, 와전류손 및 히스테리시스손을 포함하는 철손을 최소화하기 위해서는, 환류 자구의 폭을 좁게 하는 것이 유효하다. 예를 들어, 특허문헌 3에는, 우수한 미소 집광 특성을 갖는 TEM00 모드의 레이저 빔을 사용하여, 좁은 영역에 강한 변형을 형성함으로써, 좁고 또한 충분한 강도를 가진 환류 자구를 얻는 방법이 개시되어 있다.
그런데, 레이저 자구 제어법에 있어서의 레이저 조사 공정에 있어서는, 유리 피막 상에 절연 피막을 형성하고, 이 절연 피막 상으로부터 레이저 빔을 조사하여, 자구 제어를 행하고 있다. 여기서, 레이저 빔의 조사에 의한 온도 상승이 원인으로, 절연 피막 및 유리 피막에 흠이 발생하는 경우가 있었다. 여기서, 흠이란, 절연 피막 및 유리 피막의 결손 박리, 들뜸, 변질, 변색 등의 피막 손상이다. 유리 피막에 흠이 발생한 경우에는, 강판 지철이 외부에 노출되어, 녹이 발생해버릴 우려가 있다. 이 때문에, 유리 피막에 흠이 발생한 경우에는, 다시, 절연 피막을 도포할 필요가 있어, 공정의 추가에 의한 제조 비용 상승의 원인으로 된다.
또한, 방향성 전자 강판의 제조에 있어서는, 많은 열처리가 실시되기 때문에, 강판 지철의 압연 방향 및 폭 방향에 있어서, 유리 피막이나 절연 피막의 계면 구조나 두께에 변동이 발생하는 경우가 있다. 따라서, 레이저 조건을 조정해도, 강판 지철 전체에서 유리 피막에 있어서의 흠의 발생을 억제하는 것이 곤란한 경우가 있었다.
일본 특허 공개 제2007-119821호 공보 일본 특허 공개 소59-33802호 공보 국제 공개 제2004/083465호 일본 특허 공개 소58-29592호 공보 일본 특허 공개 평2-52192호 공보
그런데, 종래의 레이저 자구 제어에 있어서는, 절연 피막이, 조사되는 레이저 빔의 파장에 대하여 투명한지 여부에 따라서, 강판에 대한 레이저 빔의 흡수 특성이 상이하다. 절연 피막이 레이저 빔의 파장에 대하여 불투명으로 되는 경우, 레이저 빔은 절연 피막 내에서 흡수된다. 그리고, 레이저 빔의 전파에 있어서는, 레이저 빔의 흡수가 발생하는 물질 내에 있어서의 레이저 빔의 전파 거리(이하, 경로 길이라고도 함)가 길어질수록, 레이저 빔의 흡수되는 파워가 증가되는 것이 알려져 있다.
그리고, 절연 피막에 대하여 불투명으로 되는 파장의 레이저 빔을 사용하는 레이저 자구 제어의 경우에는, 다음과 같은 문제가 있었다. 즉, 레이저 빔의 주사를 고속 또한 효율적으로 실시하기 위해, 방향성 전자 강판의 표면으로부터 일정 높이의 위치로부터, 1개의 레이저 빔을 방향성 전자 강판의 폭 방향을 따라서 직선적으로 주사하는 광학계가 사용된다.
이와 같은 광학계가 사용되는 경우, 레이저 주사폭의 중앙부에 있어서는, 레이저 빔은 방향성 전자 강판의 표면에 대하여 수직으로 입사한다. 즉, 레이저 빔의 입사 위치가 레이저 주사폭의 중앙부와 일치하는 경우, 방향성 전자 강판의 표면에 대하여 직교하는 방향(법선 방향)과 레이저 빔의 전파 방향이 이루는 각도(레이저 빔의 입사각 φ)는 0°으로 된다. 한편, 레이저 빔의 입사 위치가 레이저 주사폭의 단부에 가까워질수록, 레이저 빔의 입사각 φ는 커진다.
이와 같은 광학계에서는, 레이저 빔의 입사 위치가 레이저 주사폭의 중앙부로부터 단부에 가까워질수록(레이저 빔의 입사각 φ가 커질수록), 절연 피막 및 유리 피막 내에서의 레이저 빔의 경로 길이가 길어지기 때문에, 절연 피막에 대한 레이저 빔의 흡수가 높아지게 된다. 따라서, 레이저 주사폭의 단부에 있어서, 중앙부보다도 강판에 대하여 보다 많은 파워가 부여되는 결과, 유리 피막에 흠이 발생할 리스크가 높아진다.
상기의 문제를 해결하기 위해서는, 레이저 주사폭의 단부에 있어서, 레이저 빔의 흡수율을 내린다고 하는 안이 생각된다. 이것에 대하여, 예를 들어 상기 특허문헌 4 및 5에 개시되어 있는 바와 같이, 레이저 빔(직선 편광)의 입사각을 브루스터각에 가까운 각도(예를 들어 45° 이상 : 특허문헌 4의 청구항 3 및 특허문헌 5의 청구항 1 참조)로 고정하고, 항상 레이저 빔의 흡수율을 최대화한 상태에서 레이저 빔을 처리 대상물의 표면에 조사한다고 하는 기술은 종래부터 알려져 있지만, 특정한 조사 위치에 있어서 레이저 빔의 흡수율을 적극적으로 내린다고 하는 기술은 종래 필요로 되지 않았다.
본 발명은 상기의 사정을 감안하여 이루어진 것이며, 유리 피막에 있어서의 흠의 발생을 억제 가능한 레이저 가공 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 상기 과제를 해결하여 이러한 목적을 달성하기 위해, 이하의 수단을 채용한다.
(1) 본 발명의 일 형태에 관한 레이저 가공 장치는, 방향성 전자 강판에 레이저 빔을 집광하여 주사 방향으로 주사하여, 상기 방향성 전자 강판의 자구를 세분화하기 위한 레이저 가공 장치이며, 상기 방향성 전자 강판에 집광되는 레이저 빔이 직선 편광이고, 상기 직선 편광의 배향과, 상기 주사 방향이 이루는 각도가 45° 초과 90° 이하이다.
(2) 상기 (1)에 기재된 레이저 가공 장치에 있어서, 상기 방향성 전자 강판에 대한 상기 레이저 빔의 최대 입사각 φMAX가 하기 조건식 (1)을 만족시키고 있어도 된다.
Figure pct00001
(3) 상기 (1) 또는 (2)에 기재된 레이저 가공 장치에 있어서, 상기 방향성 전자 강판에 집광되는 레이저 빔의 파장이 7㎛ 초과이어도 된다.
(4) 상기 (1) 내지 (3) 중 어느 하나에 기재된 레이저 가공 장치가, 레이저 빔을 출사하는 레이저 발진기를 더 구비해도 되고, 상기 레이저 발진기가 직선 편광을 출사하는 CO2 레이저이어도 된다.
(5) 상기 (1) 내지 (4) 중 어느 하나에 기재된 레이저 가공 장치에 있어서, 상기 방향성 전자 강판에 집광된 레이저 빔의 집광 형상이 타원이고, 상기 타원의 단축 방향이 상기 주사 방향에 대하여 직교하고 있어도 된다.
상기 형태에 따르면, 유리 피막에 있어서의 흠의 발생을 억제하는 것이 가능해진다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 관한 방향성 전자 강판(10)의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 형태에 관한 방향성 전자 강판(10)의 제조 공정의 일례를 나타내는 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 형태에 관한 레이저 가공 장치(100)의 구성예를 도시하는 모식도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 형태에 관한 레이저 조사 장치(106)의 구성예를 도시하는 모식도이다.
도 5는 방향성 전자 강판(10) 상의 레이저 빔의 집광 형상을 도시하는 도면이다.
도 6은 레이저 빔의 방향성 전자 강판(10)에의 입사 상태를 도시하는 모식도이다.
도 7a는 레이저 주사폭 L의 중앙부 P1에서 절연 피막(16)에 입사한 레이저 빔의 절연 피막(16) 내의 경로 길이 e1 및 유리 피막(14) 내의 경로 길이 e1'를 도시한다.
도 7b는 레이저 주사폭 L의 단부 P2에서 절연 피막(16)에 입사한 레이저 빔의 절연 피막(16) 내의 경로 길이 e2 및 유리 피막(14) 내의 경로 길이 e2'를 도시한다.
도 8은 직선 편광의 배향과, 레이저 빔의 주사 방향의 관계를 도시하는 모식도이다.
도 9a는 직선 편광 LB가, 입사각 φ로 방향성 전자 강판(10)의 표면에 입사하는 경우에 있어서의 P 편광의 전장 진동 방향을 도시하는 도면이다.
도 9b는 직선 편광 LB가, 입사각 φ로 방향성 전자 강판(10)의 표면에 입사하는 경우에 있어서의 S 편광의 전장 진동 방향을 도시하는 도면이다.
도 10은 레이저 빔의 P 편광과 S 편광의 지철(12)의 상부 표면에 대한 흡수율을 나타내는 그래프이다.
도 11은 레이저 조사 장치(106)의 변형예를 도시하는 도면이다.
이하에 첨부 도면을 참조하면서, 본 발명의 일 실시 형태에 대하여 상세하게 설명한다. 또한, 본 명세서 및 도면에 있어서, 실질적으로 동일한 기능 구성을 갖는 구성 요소에 대해서는, 동일한 번호를 부여함으로써 중복 설명을 생략한다.
<방향성 전자 강판의 개요>
방향성 전자 강판은, 강판의 결정립의 자화 용이축(체심 입방정의 <100> 방향)이 제조 공정에 있어서의 압연 방향에 대략 일치하고 있는 전자 강판이다. 상기와 같은 방향성 전자 강판에 있어서, 압연 방향과 자화 방향이 일치하는 복수의 자구가, 자벽으로 구획된 상태로 배열되어 있다. 이와 같은 방향성 전자 강판은 압연 방향으로 자화되기 쉽기 때문에, 자력선의 방향이 거의 일정한 트랜스의 철심 재료로서 적합하다.
트랜스용의 코어(철심)는 권취 코어와 적층 코어로 크게 나누어진다. 권취 코어의 제조 공정에서는, 강판에 감기 변형을 가하면서 코어의 형상으로 제작한 후에, 그 기계적인 변형으로 도입된 변형을 제거하기 위해 어닐링이 행해진다. 그러나, 이 어닐링 과정에 있어서는, 상술한 바와 같이 레이저 조사에 의해 도입된 변형도 제거되므로, 자구의 세분화 효과가 소실되어 버린다. 한편, 적층 코어의 제조 공정에서는, 상기와 같은 변형 제거용의 어닐링 공정은 불필요하다. 따라서, 본 실시 형태에 관한 방향성 전자 강판은, 특히 적층 코어의 재료로서 적합하다.
도 1은 본 실시 형태에 관한 방향성 전자 강판(10)의 단면도이다. 도 1에 도시한 바와 같이, 방향성 전자 강판(10)은 강판 본체(지철)(12)와, 강판 본체(12)의 양면에 형성된 유리 피막(14)과, 유리 피막(14) 상에 형성된 절연 피막(16)을 갖는다.
강판 본체(12)는 Si를 함유하는 철합금으로 구성되어 있다. 강판 본체(12)의 조성은, 일례로서, Si; 2.5질량％ 이상 4.0질량％ 이하, C; 0.02질량％ 이상 0.10질량％ 이하, Mn; 0.05질량％ 이상 0.20질량％ 이하, 산 가용성 Al; 0.020질량％ 이상 0.040질량％ 이하, N; 0.002질량％ 이상 0.012질량％ 이하, S; 0.001질량％ 이상 0.010질량％ 이하, P; 0.01질량％ 이상 0.04질량％ 이하, 잔부가 Fe 및 불가피 불순물이다. 강판 본체(12)의 두께는, 예를 들어 0.1㎜ 이상 0.4㎜ 이하이다.
유리 피막(14)은, 예를 들어 포르스테라이트(Mg2SiO4), 스피넬(MgAl2O4) 및 코디어라이트(Mg2Al4Si5O16) 등의 복합 산화물에 의해 구성되어 있다. 유리 피막(14)의 두께는 예를 들어 1㎛이다.
절연 피막(16)은, 예를 들어 콜로이드상 실리카와 인산염(인산 마그네슘, 인산 알루미늄 등)을 주체로 하는 코팅액이나 알루미나졸과 붕산을 혼합한 코팅액에 의해 구성되어 있다. 절연 피막(16)의 두께는, 예를 들어 2㎛ 이상 3㎛ 이하이다.
상술한 구성의 방향성 전자 강판(10)에 있어서는, 절연 피막(16) 상으로부터 레이저 빔이 조사됨으로써, 압연 방향과 거의 직교하는 선상의 영역에 잔류 변형이 부여된다. 잔류 변형이 부여된 선상 영역은, 압연 방향으로 소정의 주기로 형성되고, 2개의 선상 영역 사이에 끼워져 압연 방향으로 자화가 향한 영역에 있어서, 압연 방향과 대략 직교하는 방향의 자구폭을 세분화한다.
<방향성 전자 강판의 제조 방법>
도 2를 참조하면서, 본 실시 형태에 관한 방향성 전자 강판(10)의 제조 방법에 대하여 설명한다. 도 2는 본 실시 형태에 관한 방향성 전자 강판(10)의 제조 공정의 일례를 나타내는 흐름도이다.
방향성 전자 강판(10)의 제조 공정은, 도 2에 도시한 바와 같이, 주조 공정 S2와, 열간 압연 공정 S4와, 어닐링 공정 S6과, 냉간 압연 공정 S8과, 탈탄 어닐링 공정 S10과, 어닐링 분리제 도포 공정 S12와, 최종 마무리 어닐링 공정 S14와, 절연 피막 형성 공정 S16과, 레이저 조사 공정 S18을 포함한다.
주조 공정 S2에서는, 소정의 조성으로 조정된 용강을 연속 주조기에 공급하여, 주괴를 연속적으로 형성한다. 열간 압연 공정 S4에서는, 주괴를 소정 온도(예를 들어 1150∼1400℃)로 가열하여 열간 압연을 행한다. 이에 의해, 소정 두께(예를 들어 1.8∼3.5㎜)의 열간 압연재가 형성된다.
어닐링 공정 S6에서는, 열간 압연재에 대하여, 예를 들어 가열 온도 750∼1200℃, 가열 시간 30초∼10분의 조건에서 열처리를 행한다. 냉간 압연 공정 S8에서는, 열간 압연재의 표면을 산 세정한 후에, 냉간 압연을 행한다. 이에 의해, 소정 두께(예를 들어, 0.1∼0.4㎜)의 냉간 압연재가 형성된다.
탈탄 어닐링 공정 S10에서는, 냉간 압연재에 대하여, 예를 들어 가열 온도 700∼900℃, 가열 시간 1∼3분의 조건에서 열처리를 행하여, 강판 본체(12)를 형성한다. 강판 본체(12)의 표면에는, 실리카(SiO2)를 주체로 하는 산화물층이 형성된다. 어닐링 분리제 도포 공정 S12에서는, 강판 본체(12)의 산화물층 상에 마그네시아(MgO)를 주체로 하는 어닐링 분리제를 도포한다.
최종 마무리 어닐링 공정 S14에서는, 어닐링 분리제가 도포된 강판 본체(12)를 코일 형상으로 권취한 상태에서, 배치식 노 내에 삽입하여 열처리를 행한다. 열처리 조건은, 예를 들어 가열 온도 1100∼1300℃, 가열 시간 20∼24시간이다. 이때, 강판 본체(12)의 반송 방향(압연 방향)과 자화 용이축이 일치한, 소위 고스 입자가 우선적으로 결정 성장한다. 이 결과, 마무리 어닐링 후에 결정 방위성(결정 배향성)이 높은 방향성 전자 강판이 얻어진다. 또한, 최종 마무리 어닐링 공정 S14에 의해, 산화물층과 어닐링 분리제가 반응하여, 강판 본체(12)의 표면에 포르스테라이트(Mg2SiO4)로 이루어지는 유리 피막(14)이 형성된다.
절연 피막 형성 공정 S16에서는, 코일 형상으로 권취된 강판 본체(12)를 풀어 판상으로 펴서 반송한다. 그리고, 강판 본체(12)의 양면에 형성된 유리 피막(14) 상에 절연제를 도포, 베이킹을 행하여, 절연 피막(16)을 형성한다. 절연 피막(16)이 형성된 강판 본체(12)는 코일 형상으로 권취된다.
레이저 조사 공정 S18에서는, 코일 형상으로 권취된 강판 본체(12)를 풀어 판상으로 펴서 반송한다. 그리고, 후술하는 레이저 조사 장치에 의해, 강판 본체(12)의 편면을 향하여 레이저 빔을 집광ㆍ조사하고, 압연 방향(반송 방향)으로 반송되는 전자 강판의 대략 폭 방향으로 주사한다. 이에 의해, 강판 본체(12)의 표면에, 압연 방향과 거의 직교하는 선상의 변형이 압연 방향에 있어서 소정 간격으로 형성된다. 또한, 이 레이저 빔의 집광, 주사는, 강판 본체(12)의 표면 및 이면의 양쪽으로부터 행해도 된다. 또한, 상기한 바와 같이 절연 피막(16)이 형성된 강판 본체(12)를 코일 형상으로 권취하고 나서 레이저 조사 공정 S18로 이송한다고 설명하였지만, 절연 피막 형성 직후에 레이저 조사를 행하고, 그 후 코일 형상으로 권취하는 것도 가능하다.
이상과 같은 제조 공정에 의해, 강판 본체(12)의 표면에 유리 피막(14) 및 절연 피막(16)이 형성되어, 레이저 조사에 의해 자구 제어된 방향성 전자 강판(10)이 제조된다.
<레이저 가공 장치의 구성>
도 3 및 도 4를 참조하면서, 방향성 전자 강판(10)에 레이저 빔을 조사하여 잔류 변형을 부여하는 레이저 가공 장치(100)의 구성예에 대하여 설명한다. 도 3은 본 실시 형태에 관한 레이저 가공 장치(100)의 구성예를 도시하는 모식도이다. 도 4는 1개의 레이저 조사 장치(106)의 구성예를 도시하는 모식도이다.
레이저 가공 장치(100)는 압연 방향으로 일정 속도로 반송되는 방향성 전자 강판(10)의 절연 피막(16) 상으로부터 레이저 빔을 조사하여, 압연 방향과 거의 직교하는 선상의 변형을 부여한다. 레이저 가공 장치(100)는, 도 3에 도시한 바와 같이, 레이저 발진기(102)와, 레이저 빔 전송로(104)와, 레이저 조사 장치(106)를 각각 복수 갖는다. 도 3에서는, 3개의 레이저 발진기(102), 레이저 빔 전송로(104) 및 레이저 조사 장치(106)가 도시되어 있지만, 각각의 구성은 마찬가지이다.
레이저 발진기(102)는, 예를 들어 100W 이상의 고출력의 레이저 빔을 출사한다. 또한, 후술하는 바와 같이, 레이저 발진기(102)로서는, 파장이 7㎛ 초과인 레이저 빔을 출사하는 발진기가 바람직하다. 레이저 발진기(102)로서는, 예를 들어 레이저 빔의 파장이 10.6㎛인 CO2 레이저가 사용된다. 또한, 레이저 발진기(102)는 본 실시 형태에서는, 소정의 편광의 배향을 갖는 직선 편광의 레이저 빔을 출사한다. 또한, 직선 편광의 레이저 빔을 사용하는 이유에 대해서는 후술한다. 레이저 발진기(102)는 연속파 레이저이어도 펄스 레이저이어도 된다.
또한, 본 발명에 있어서의 직선 편광 레이저로서, 일방향으로만 진동하는 전계 성분(직선 편광 성분)을 갖는 레이저광을 사용하는 것이 이상적이지만, 엄밀하게는 그 직선 편광 성분에 대하여 직교하는 전계 성분(직교 성분)도 아주 조금 존재한다. 직선 편광 성분의 파워와 직교 성분의 파워의 비는, 상술한 편광 빔 스플리터(124)의 성능이나 레이저 발진기(102)의 성능에 의존한다. 직선 편광 성분의 파워를 PW1이라 하고, 그 직교 성분의 파워를 PW2라 하였을 때, (PW1/(PW1+PW2))를 편광도로서 정의한 경우, 본 발명에 있어서의 직선 편광은 0.9 이상 1.0 미만의 편광도를 갖는다. 즉, 0.9 이상 1.0 미만(90％ 이상 100％ 미만)의 편광도를 갖는 직선 편광 레이저를 사용한 경우에, 후술하는 실시예의 결과가 얻어졌다. 또한, 직교 프리즘 등을 사용하여 직선 편광을 분리함으로써, 직선 편광 성분의 비율을 해석할 수 있다.
레이저 조사 장치(106)는 레이저 발진기(102)로부터 레이저 빔 전송로(104)에 의해 전송된 레이저 빔을 방향성 전자 강판(10)에 집광하고, 압연 방향과 거의 직교하는 방향으로 주사시킨다. 1개의 레이저 조사 장치(106)가 레이저 빔을 주사할 수 있는 폭은, 방향성 전자 강판(10)의 판 폭보다도 작은 경우도 있지만, 도 3에 도시한 바와 같이 레이저 조사 장치(106)를 판 폭 방향으로 복수 배열시킴으로써, 방향성 전자 강판(10)의 판 폭 전역에 걸쳐 레이저 빔을 주사할 수 있다.
레이저 조사 장치(106)는, 도 4에 도시한 바와 같이, λ/2판(125)과, 금속 미러(126)와, 폴리곤 미러(128)와, 포물면 미러(130)를 갖는다.
λ/2판(125)은 그 회전 각도를 변경함으로써, 직선 편광의 배향을 조정하기 위해 삽입된다. 또한, 강판면 상에서의 직선 편광의 배향이, 후술하는 소정의 방향을 향하고 있는 경우에는, λ/2판(125)을 생략할 수 있다. 또한, 직선 편광의 배향을 변화시키는 소자로서는, λ/2판(125) 대신에 패러데이 로테이터 등도 사용할 수 있다.
또한, 상기에서는 레이저 발진기(102)로부터 출사된 레이저 빔이 직선 편광으로 되어 있는 형태에 대하여 설명하였지만, 레이저 발진기(102)로부터 출사되는 레이저 빔은 반드시 직선 편광일 필요는 없다. 레이저 발진기(102)로부터 출사되는 레이저 빔이 무편광인 경우에는, λ/2판(125)의 전방에 편광 빔 스플리터를 설치하여, 직선 편광으로 하면 된다. 이 편광 빔 스플리터를 레이저 빔의 중심축 주위에 회전 가능하게 해 두면, λ/2판(125)을 설치하지 않더라도, 강판면 상에서의 직선 편광의 배향을 소정의 방향으로 조정할 수 있다. 이상과 같이, 직선 편광의 레이저 빔을 금속 미러(126)에 입사시킬 수 있다. 또한, 레이저 빔을 직선 편광으로 하는 이유에 대해서는 후술한다.
금속 미러(126)는 입사한 레이저 빔의 방향성 전자 강판(10)의 판 폭 방향(도 5 참조)의 빔 직경을 좁혀, 조정하기 위한 미러이다. 금속 미러(126)로서는, 예를 들어 1축 방향으로 곡률을 가진 원기둥 미러나 포물면 미러를 사용할 수 있다. 금속 미러(126)에 의해 반사된 레이저 빔은, 소정의 회전 속도로 회전하는 폴리곤 미러(128)에 입사한다.
폴리곤 미러(128)는 회전 가능한 다면체이며, 회전함으로써 레이저 빔을 방향성 전자 강판(10)의 판 폭 방향으로 주사한다. 레이저 빔이 폴리곤 미러(128)의 다면체의 어느 일면에 입사하는 동안, 그 면의 회전에 수반하여, 레이저 빔이 방향성 전자 강판(10) 상의 판 폭 방향을 따른 1개의 선상의 영역에 주사되어, 그 선상의 영역에 잔류 변형이 부여되게 된다. 폴리곤 미러의 회전에 수반하여, 이 레이저 빔의 주사가 반복됨과 동시에, 방향성 전자 강판(10)은 압연 방향으로 반송되는 결과, 방향성 전자 강판(10) 상에 선상의 잔류 변형을 가진 영역이, 압연 방향으로 주기적으로 형성되게 된다. 또한, 선상의 영역의 압연 방향의 주기는, 방향성 전자 강판(10)의 반송 속도와, 폴리곤 미러(128)의 회전 속도에 의해 조정된다.
포물면 미러(130)는 폴리곤 미러(128)에 의해 반사된 레이저 빔의 압연 방향의 빔 직경을 좁혀, 조정하기 위한 미러이다. 포물면 미러(130)에 의해 반사된 레이저 빔은, 방향성 전자 강판(10)의 표면에 집광된다.
도 5는 방향성 전자 강판(10) 상의 레이저 빔의 집광 형상을 도시하는 도면이다. 본 실시 형태에 있어서, 레이저 빔의 집광 형상은, 도 5에 도시한 바와 같이 타원이다. 이 타원의 장축 방향은, 레이저 빔의 주사 방향과 평행하고, 타원의 단축 방향은, 주사 방향에 대하여 직교한다. 바꿔 말하면, 타원의 단축 방향은, 압연 방향과 평행이다. 이와 같이 레이저 빔의 집광 형상을 타원으로 함으로써, 방향성 전자 강판(10)의 어느 한점에 대하여 레이저 빔의 조사 시간이 길어진다. 그 결과, 방향성 전자 강판(10)의 내부의 깊은 위치까지 온도를 상승시킬 수 있으므로, 철손의 저감에 유효하다. 또한, 금속 미러(126)에 의해 판 폭 방향의 빔 직경이 좁혀짐과 함께, 포물면 미러(130)에 의해 압연 방향의 빔 직경이 좁혀짐으로써, 레이저 빔의 집광 형상이 타원으로 된다. 또한, 레이저 빔의 집광 형상을 타원으로 하면, 집광 형상이 진원인 경우에 비해, 레이저 빔의 집광 면적이 확대됨으로써 파워 밀도가 저하된다. 그 결과, 방향성 전자 강판(10)의 표면 근방의 판 두께 방향에 대한 온도 구배가 급준해지는 것을 방지할 수 있으므로, 유리 피막(14)에 있어서의 흠의 발생의 억제에 유효하다.
또한, 상기의 설명에서는, 방향성 전자 강판(10) 상의 레이저 빔의 집광 형상이 타원인 경우를 예시하였지만, 본 발명은 이것에 한정되지 않는다. 예를 들어, 레이저 빔의 집광 형상이 진원이어도 된다.
또한, 본 실시 형태에 있어서는, 압연 방향의 빔 직경(86％의 적분 강도가 포함되는 폭)이 200㎛ 이하로 되도록, 레이저 빔의 강도 분포를 설정하는 것이 바람직하다. 이에 의해, 압연 방향으로의 열전도의 확산을 보다 억제하면서 좁은 환류 자구를 형성함으로써, 철손을 크게 저감할 수 있다. 또한, 철손을 확실하게 저감하기 위해서는, 상기 빔 직경을 120㎛ 이하로 하는 것이 보다 바람직하다.
<레이저 빔의 레이저 주사폭에 있어서의 입사 상태에 대하여>
레이저 조사 장치(106)가 방향성 전자 강판(10)의 표면에 소정의 레이저 주사폭에 걸쳐 레이저 빔을 주사할 때에, 레이저 주사폭의 중앙부와 단부에 있어서 방향성 전자 강판(10)의 표면에 대한 레이저 빔의 입사 상태가 상이하다.
도 6은 레이저 빔의 방향성 전자 강판(10)에의 입사 상태를 도시하는 모식도이다. 1개의 레이저 조사 장치(106)가 주사 방향에 있어서 소정의 레이저 주사폭 L로 레이저 빔을 주사하였을 때에, 도 6에 도시한 바와 같이, 레이저 주사폭 L의 중앙부 P1에 있어서의 레이저 빔의 입사 상태와, 레이저 주사폭 L의 단부 P2, P3에 있어서의 레이저 빔의 입사 상태가 상이하다. 구체적으로는, 레이저 주사폭 L의 중앙부 P1에 있어서는, 레이저 조사 장치(106)의 포물면 미러(130)에 의해 반사된 레이저 빔이, 방향성 전자 강판(10)의 표면[절연 피막(16)]에 수직으로 입사한다. 한편, 레이저 주사폭 L의 양단부 P2, P3에 있어서는, 레이저 빔이, 방향성 전자 강판(10)의 표면에 비스듬히 입사(표면의 법선 방향에 대하여 입사각 φ로 입사)한다.
즉, 레이저 빔의 입사 위치가 레이저 주사폭 L의 중앙부 P1과 일치하는 경우, 방향성 전자 강판(10)의 표면에 대하여 직교하는 방향(법선 방향)과 레이저 빔의 전파 방향이 이루는 각도(레이저 빔의 입사각 φ)는 0°로 된다. 한편, 레이저 빔의 입사 위치가 레이저 주사폭 L의 단부 P2 또는 P3에 가까워질수록, 레이저 빔의 입사각 φ는 커진다.
도 7a 및 도 7b는 절연 피막(16)에 있어서의 레이저 빔의 경로 길이를 도시하는 모식도이다. 도 7a는 레이저 주사폭 L의 중앙부 P1에서 절연 피막(16)에 입사한 레이저 빔의 절연 피막(16) 내의 경로 길이 e1 및 유리 피막(14) 내의 경로 길이 e1'를 도시한다. 도 7b는 레이저 주사폭 L의 단부 P2에서 절연 피막(16)에 입사한 레이저 빔의 절연 피막(16) 내의 경로 길이 e2 및 유리 피막(14) 내의 경로 길이 e2'를 도시한다. 레이저 주사폭 L의 단부 P3에서 절연 피막(16)에 입사한 레이저 빔의 경로 길이는 도 7b와 마찬가지이다.
절연 피막(16)의 내부 및 유리 피막(14)의 내부에서의 레이저 빔의 투과율은, 잘 알려진 램버트비어의 법칙에 의해, exp(-αL)로 나타내어진다. 여기서, α는 흡수 계수, L은 경로 길이이다. 경로 길이 L이 길수록, 투과율이 작아진다. 즉, 경로 길이 L이 길수록, 절연 피막(16)의 내부 및 유리 피막(14)의 내부에서 흡수되는 레이저 빔의 파워가 커진다. 도 7a 및 도 7b로부터 명백해지는 바와 같이, 경로 길이 e2(e2')는 경로 길이 e1(e1')보다도 길기 때문에, 레이저 주사폭 L의 단부 P2(P3)에 있어서 절연 피막(16)[유리 피막(14)]에 대한 레이저 빔의 흡수가 높아진다. 이 결과, 레이저 주사폭 L의 단부 P2(P3)에 있어서, 중앙부 P1보다도 방향성 전자 강판(10)에 대하여 보다 많은 파워가 부여되게 되기 때문에, 온도가 과대하게 상승하여, 절연 피막(16)이나 유리 피막(14)에 있어서 흠이 발생하기 쉬워진다.
본 실시 형태에서는, 상기 문제를 해결하기 위해, 방향성 전자 강판(10)의 표면[절연 피막(16)]에 집광되는 레이저 빔을 직선 편광으로 함과 함께, 도 8에 도시한 바와 같이, 직선 편광의 배향과, 레이저 빔의 주사 방향이 이루는 각도 θ를 45° 초과 90° 이하로 설정하고 있다. 또한, 도 8은 레이저 빔의 입사각 φ가 0°인 경우에 있어서의, 직선 편광의 배향과, 레이저 빔의 주사 방향의 관계를 도시하는 모식도이다. 또한, 레이저 빔의 주사 방향과 직선 편광의 배향이 이루는 각도 θ가 45° 초과 90° 이하이면, 직선 편광의 배향과, 레이저 빔의 주사 방향의 관계가 도 8에 대하여 선대칭적인 관계이어도 된다.
본 실시 형태와 같이 각도 θ를 45° 초과 90° 이하로 설정하는 경우에는, 후술하는 바와 같이, 레이저 주사폭 L의 단부 P2, P3에 있어서의 레이저 빔의 흡수율을 저하시킬 수 있기 때문에, 레이저 주사폭 L의 단부 P2, P3에 있어서 레이저 빔의 경로 길이가 길어져도, 절연 피막(16)에 흡수되는 파워의 증가를 억제할 수 있다. 이 결과, 레이저 주사폭 L의 단부 P2, P3에 있어서 유리 피막(14)의 흠의 발생을 억제할 수 있다.
<직선 편광과 흡수율의 관계에 대하여>
여기서, 직선 편광의 배향과, 레이저 빔의 주사 방향이 이루는 각도 θ에 의해, 레이저 빔의 흡수율이 저하되는 원리에 대하여 설명한다.
방향성 전자 강판(10)에 입사하는 레이저 빔은, 절연 피막(16)에서 일부가 반사되고, 나머지가 절연 피막(16)에 입사한다. 절연 피막(16)에 입사한 레이저 빔은, 절연 피막(16) 내부에서 일부가 흡수되고, 유리 피막(14)의 상부 표면에 도달하고, 여기서 일부가 반사되고, 나머지가 유리 피막(14)에 입사한다. 유리 피막(14)에 입사한 레이저 빔은, 유리 피막(14) 내부에서 일부가 흡수되고, 강판 본체(이하, 지철이라고도 부름)(12)의 상부 표면에 도달하고, 그 일부가 강판 본체(12)의 표면에서 흡수된다. 그리고, 방향성 전자 강판(10)에 전달되는 레이저 빔의 파워는, 상술한 바와 같이 절연 피막(16) 등에 있어서 흡수되는 레이저 빔의 흡수율에 좌우된다. 절연 피막(16) 등에 있어서의 레이저 빔의 흡수율이 크면, 방향성 전자 강판(10)에 전달되는 레이저 빔의 파워도 커진다.
그런데, 직선 편광은, 통상 P 편광(P파라고도 부름)과 S 편광(S파라고도 부름)을 포함한다. P 편광의 흡수율과 S 편광의 흡수율이 상이한 것이 알려져 있다. 이 때문에, P 편광과 S 편광의 절연 피막(16) 등에 흡수되는 비율에 따라서, 방향성 전자 강판(10)에 전달되는 레이저 빔의 파워도 변화된다.
도 9a는 직선 편광 LB가, 입사각 φ로 방향성 전자 강판(10)의 표면에 입사하는 경우에 있어서의 P 편광의 전장 진동 방향을 도시하고 있다. 도 9b는 직선 편광 LB가, 입사각 φ로 방향성 전자 강판(10)의 표면에 입사하는 경우에 있어서의 S 편광의 전장 진동 방향을 도시하고 있다. 도 9a 및 도 9b에 도시한 바와 같이, 직선 편광 LB가, 입사각 φ로 방향성 전자 강판(10)의 표면에 입사하는 경우, P 편광의 전장 진동 방향과 S 편광의 전장 진동 방향은 상이하다. 구체적으로는, 직선 편광이 주사될 때에, P 편광의 전장은 도 9a에 도시한 이중선 화살표 방향으로 진동하고, S 편광의 전장은 도 9b에 도시한 바와 같이 지면에 직교하는 방향으로 진동한다.
도 10은 레이저 빔의 P 편광과 S 편광의 지철(12)의 상부 표면에 대한 흡수율을 나타내는 그래프이다. 도 10에 도시한 바와 같이, P 편광의 흡수율은, S 편광의 흡수율보다도 크다. 그리고, 레이저 빔(직선 편광)의 입사각 φ가 커짐에 따라서, P 편광의 흡수율이 증가하고, S 편광의 흡수율이 감소한다. 도 10은 방향성 전자 강판(10)으로부터 절연 피막(16)과 유리 피막(14)이 제거되고 남은 지철(12)의 상부 표면에 대한 흡수율을 나타내고 있지만, 절연 피막(16) 상부 표면에서의 흡수율과, 유리 피막(14)의 상부 표면에서의 흡수율도, 도 10과 마찬가지의 경향을 나타낸다.
직선 편광의 배향과 주사 방향이 이루는 각도 θ가 0°인 경우에는, 입사면[방향성 전자 강판(10)의 표면]에 대하여 P 편광만이 입사한다. 각도 θ가 45°인 경우에는, 입사면에 대하여 P 편광과 S 편광이 절반씩 입사한다. 각도 θ가 90°인 경우에는, 입사면에 대하여 S 편광만이 입사한다. 따라서, 각도 θ가 0° 이상 45° 미만인 경우에는, P 편광과 S 편광 중 P 편광의 영향이 지배적으로 되어, 입사각 φ의 증가와 함께 레이저 빔의 흡수율이 커진다. 한편, 각도 θ가 45° 초과 90° 이하인 경우에는, S 편광의 영향이 지배적으로 되어, 입사각 φ의 증가와 함께 레이저 빔의 흡수율이 작아진다.
본 실시 형태에서는, 레이저 조사 장치(106)의 레이저 주사폭 L의 단부 P2, P3에 있어서의 레이저 빔의 흡수율을 저하시키기 위해, 직선 편광의 배향과 레이저 빔의 주사 방향이 이루는 각도 θ를 45° 초과 90° 이하로 설정하고 있다. 이에 의해, P 편광과 S 편광 중 S 편광의 영향이 지배적으로 된다. 따라서, 레이저 주사폭 L의 단부 P2, P3에 있어서, 절연 피막(16) 및 유리 피막(14)에서의 레이저 빔의 경로 길이가 길어져도, 절연 피막(16) 및 유리 피막(14)에의 레이저 빔의 흡수를 저하시킬 수 있다. 이 결과, 절연 피막(16) 등에 있어서의 온도 상승을 억제할 수 있으므로, 레이저 주사폭 L의 단부 P2, P3에 있어서의 유리 피막(14)의 흠의 발생을 저감할 수 있다.
특히, 직선 편광의 배향과 레이저 빔의 주사 방향이 이루는 각도 θ를 70° 이상 90° 이하로 설정한 경우에는, S 편광의 영향이 보다 지배적으로 되어, 절연 피막(16) 및 유리 피막(14)에의 레이저 빔의 흡수가 보다 저하되므로, 레이저 주사폭 L의 단부 P2, P3에 있어서의 유리 피막(14)의 흠의 발생을 한층 더 저감할 수 있다.
또한, 본 실시 형태에서는, 주사되는 레이저 빔의 파장이, 7㎛ 초과인 것이 보다 한층 더 바람직하다. 레이저 빔의 파장이 7㎛ 초과인 경우에는, 절연 피막(16)은 레이저 빔에 대하여 불투명하여, 레이저 빔은 절연 피막(16) 및 유리 피막(14)에 흡수되기 쉽다. 이 때문에, 상기 범위의 파장의 레이저 빔을 방향성 전자 강판(10)에 집광ㆍ주사시키는 경우에는, 레이저 빔의 사입사 시에 레이저 주사폭 L의 단부 P2, P3에 있어서 많은 파워가 절연 피막(16) 및 유리 피막(14)에 흡수되기 쉽다. 이와 같은 상황 하에 있어서, 상술한 바와 같이 각도 θ를 45° 초과 90° 이하로 설정함으로써, 레이저 주사폭 L의 단부 P2, P3에 있어서 레이저 빔의 절연 피막(16) 및 유리 피막(14) 각각의 상부 표면에서의 반사가 증가하고 흡수가 감소하기 때문에, 절연 피막(16) 및 유리 피막(14)의 각각의 내부에 입사하는 파워가 감소한다. 이 결과, 레이저 빔의 절연 피막(16) 및 유리 피막(14)의 각각의 내부에서 흡수되는 파워를 저하시킬 수 있으므로, 본 실시 형태의 유효성이 보다 한층 더 발휘된다.
또한, 본원 발명자는, 레이저 빔의 입사각 φ가 0°인 경우에 있어서의 경로 길이(도 7a의 e1+e1'; 이하, 기준 경로 길이라 호칭함)에 대한 경로 길이의 확대율이 19％를 초과하면, 상기한 바와 같이, 직선 편광의 배향과 주사 방향이 이루는 각 θ를 45° 초과 90° 이하로 설정하였다고 해도, 레이저 주사폭 L의 단부 P2, P3에 있어서의 레이저 빔의 흡수율을 충분히 저하시킬 수 없는[바꾸어 말하면, 레이저 주사폭 L의 단부 P2, P3에 있어서 유리 피막(14)에 흠이 발생하기 쉬워지는) 것을 발견하였다.
이것은, 기준 경로 길이에 대한 경로 길이의 확대율이 19％를 초과하면, 경로 길이의 확대에 기인하는 흡수 파워의 증가량을, 레이저 빔(직선 편광)의 흡수율의 저하량으로 보충할 수 없게 되는 것이 원인으로 생각된다.
따라서, 레이저 주사폭 L의 전체에 걸쳐 확실하게 유리 피막(14)의 흠 발생을 방지하기 위해, 레이저 빔의 최대 입사각 φMAX를 이하의 조건식 (1)에 기초하여 설정하는 것이 바람직하다.
Figure pct00002
상기 조건식 (1)에 있어서, 좌변은 기준 경로 길이에 대한 경로 길이(최대 입사각 φMAX일 때의 경로 길이)의 확대율을 나타낸다. 따라서, 상기 조건식 (1)에 의해, 기준 경로 길이에 대한 확대율이 19％를 초과하지 않는 최대 입사각 φMAX를 얻을 수 있다. 상기 조건식 (1)로부터, 최대 입사각 φMAX는 33° 이하인 것이 바람직한 것을 알 수 있다. 예를 들어, 도 4에 도시한 폴리곤 미러(128)를 사용하는 레이저 조사 장치(106)에 있어서는, 폴리곤 미러(128)의 면수를 N으로 하면, 레이저 빔의 최대 입사각 φMAX는 360°/N으로 나타낼 수 있다. 따라서, 도 4에 도시한 레이저 조사 장치(106)에 있어서는, N은 11 이상인 것이 바람직하다.
또한, 도 11에 도시한 바와 같이, 폴리곤 미러(128) 대신에 갈바노 미러(140)를 사용해도 된다. 이 갈바노 미러(140)는 구동 모터(141)에 의해 도면 중의 화살표 방향으로 회전 구동된다. 갈바노 미러(140)가 회전함으로써, 레이저 빔이 방향성 전자 강판(10)의 판 폭 방향(주사 방향)을 따라서 주사된다. 이와 같은 구성에 의하면, 갈바노 미러(140)의 회전 각도를 제어함으로써, 레이저 빔의 입사각 φ를 제어하는 것이 가능하다. 따라서, 갈바노 미러(140)를 사용함으로써, 레이저 빔의 최대 입사각 φMAX를 적절한 값으로 설정하는 것도 용이하다.
또한, 상기 실시 형태에 있어서는, 레이저 발진기(102)가 직선 편광의 레이저 빔을 출사하는 것으로 하였지만, 본 발명은 이것에 한정되지 않는다. 예를 들어, 레이저 발진기(102)는 무편광의 레이저 빔을 출사하고, 금속 미러(126)의 전방에, 무편광의 레이저 빔을 소정의 편광의 배향을 갖는 직선 편광으로 하는 편광 빔 스플리터 등의 편광자를 설치해도 된다. 또한, 상기의 편광 빔 스플리터의 레이저 빔 중심축 주위의 회전 각도를 조정함으로써, 상술한 각도 θ의 크기를 조정해도 된다.
<자구의 세분화와 유리 피막의 흠에 대하여>
그런데, 압연 방향으로 자계가 인가된 방향성 전자 강판(10)은, 전술한 바와 같이, 압연 방향과 자화 방향이 거의 일치하는 자구를 복수 배열한 구조를 갖는다. 여기서, 방향성 전자 강판(10)의 철손의 한층 더한 저감을 도모하기 위해서는, 레이저 빔의 조사에 의해 자구를 세분화하는(자구를 좁게 하는) 것이 유효하다. 특히, 방향성 전자 강판(10)의 최표층 근방의 압연 방향을 따라서 존재하는 매우 좁은 폭의 영역의 판 두께 방향에 대하여 큰 온도 구배를 부여함으로써, 좁고 또한 충분한 강도를 가진 환류 자구를 얻는 것이 유효하다.
한편, 판 두께 방향에 대한 온도 구배를 크게 하면, 방향성 전자 강판(10)의 표면의 온도가 상승한다. 그리고, 온도 상승에 기인하여 절연 피막(16)이나 유리 피막(14)에 결손 박리 등의 흠이 발생하는 경우가 있다. 특히 유리 피막(14)에 흠이 발생한 경우에는, 강판 본체(12)가 외부에 노출되어, 녹이 발생할 우려가 있다. 이 때문에, 방향성 전자 강판(10)의 철손을 저감하면서, 유리 피막(14)에 있어서의 흠의 발생을 방지할 필요가 있다.
본 실시 형태에 따르면, 레이저 주사폭 L의 전체에 걸쳐 흠의 발생을 억제할 수 있을 뿐만 아니라, 철손을 저감하는 효과도 얻어진다. 즉, 무편광의 레이저 빔을 사용하는 종래의 레이저 자구 제어법에 있어서는, 상술한 바와 같이, 레이저 주사폭 L의 단부 P2, P3에 있어서, 경로 길이의 확대에 기인하여 레이저 빔의 파워의 흡수가 증가함으로써, 절연 피막(16)이나 유리 피막(14)에 흠이 발생하기 쉬워진다. 이것을 보상하기 위해서는, 레이저 빔의 파워를 저하시키면 되지만, 그렇게 하면 단부 P2, P3에서의 흠 발생을 저감할 수 있는 반면, 레이저 주사폭 L의 중앙부 P2에 있어서 레이저 빔의 파워까지 작아져, 철손 저감 효과가 작아진다고 하는 문제가 있었다. 한편, 본 실시 형태에 있어서는, 상술한 바와 같이 레이저 주사폭 L의 단부 P2, P3에 있어서의 레이저 빔의 흡수를 저하시키기 위해, 입사각 φ의 증가와 함께 흡수율이 작아지는 S 편광을 포함하는 직선 편광을 방향성 전자 강판(10) 상에 주사하고 있다. 여기서, 레이저 주사폭 L의 중앙부 P1에 있어서는, 직선 편광이 방향성 전자 강판(10)의 표면에 대한 수직으로 입사하기(도 6, 도 9에 도시한 입사각 φ가 작기) 때문에, 중앙부 P1에 있어서는, P 편광과 S 편광의 흡수율은 거의 동일하다(도 10 참조). 무편광 상태를 구성하는 P 편광과 S 편광의 흡수율에 차가 없는 것이기 때문에, S 편광으로 하는 것에 의한 흡수율의 저하는 거의 없다. 이 때문에, 본 실시 형태의 레이저 가공 장치(100)에 의하면, 레이저 주사폭 L의 중앙부 P1에 있어서 방향성 전자 강판(10)에 전달되는 레이저 빔의 파워를 저하시키지 않고, 단부 P2, P3에 있어서 흡수되는 레이저 빔의 파워만을 감소시킬 수 있다. 따라서, 레이저 주사폭 L의 전체에 걸쳐 철손의 저감과 흠 발생의 억제가 실현된다.
또한, 상기 실시 형태에서는, 파장이 7㎛ 초과의 레이저 빔을 출사하는 레이저 발진기(102)로서, CO2 레이저를 예시하였지만, 본 발명은 이것에 한정되지 않는다. 예를 들어, 파장이 7㎛ 초과의 레이저 빔을 출사하는 레이저 발진기로서, 파이버 레이저, 라만 파이버 레이저, 양자 캐스케이드 레이저 등을 사용해도 된다.
이상의 실시 형태에서는, 도 1에 도시한 바와 같이, 지철(12), 유리 피막(14), 절연 피막(16)의 3층 구조로 이루어지는 방향성 전자 강판(10)에 레이저 빔의 조사를 행하는 예에 대하여 설명하였지만, 유리 피막(14)이 없고, 지철(12)과 절연 피막(16)의 2층을 기본 구조로 하는 강판에 대해서도, 본 실시 형태의 레이저 가공 장치(100)는 레이저 주사폭 L의 단부 P2, P3에 있어서 절연 피막(16)의 흠 발생을 저감할 수 있는 효과를 발휘한다. 이것은, 유리 피막(14)이 없어도, 레이저 빔을 직선 편광으로 하고 또한 각도 θ를 상술한 범위로 설정함으로써, 레이저 주사폭 L의 단부 P2, P3에 있어서 절연 피막(16)에의 레이저 빔의 흡수를 저하시킬 수 있기 때문이다. 유리 피막(14)이 없는 방향성 전자 강판으로서는, 지철 표면의 요철이 작아 경면에 가깝기 때문에 초저철손 특성을 갖는 방향성 전자 강판이 알려져 있다. 이와 같은 초저철손 특성을 갖는 방향성 전자 강판에 있어서, 지철(12)의 노출에 기인하는 녹의 발생을 방지하기 위해서는, 레이저 빔의 조사 중에 절연 피막(16)에 흠을 발생시키지 않는 것이 포인트로 된다. 본 실시 형태의 레이저 가공 장치(100)는, 상술한 바와 같이, 이 흠 발생의 저감에 효과적이다.
<실시예>
상술한 본 실시 형태에 관한 실시예의 유효성을 확인하기 위해, 본 실시예 및 비교예에 관한 확인 시험예에 대하여 설명한다.
먼저, Si; 3.0질량％, C; 0.05질량％, Mn; 0.1질량％, 산 가용성 Al; 0.02질량％, N; 0.01질량％, S; 0.01질량％, P; 0.02질량％, 잔부가 Fe 및 불가피 불순물 등의 조성의 슬래브를 준비하였다. 이 슬래브에 대하여 1280℃에서 열간 압연을 실시하여, 두께 2.3㎜의 열간 압연재를 만들어냈다. 다음에, 열간 압연재에 대하여 1000℃×1분의 조건에서 열처리를 행하였다. 열처리 후에 산 세정 처리를 실시한 후에 냉간 압연을 실시하여, 두께 0.23㎜의 냉간 압연재를 만들어냈다. 이 냉간 압연재에 대하여 800℃×2분의 조건에서 탈탄 어닐링을 실시하였다. 다음에, 탈탄 어닐링 후의 냉간 압연재의 양면에, 마그네시아를 주성분으로 하는 어닐링 분리재를 도포하였다. 그리고, 어닐링 분리재를 도포한 냉간 압연재를 코일 형상으로 권취한 상태에서, 배치식 노에 장입하여, 1200℃×20시간의 조건에서 마무리 어닐링을 실시하였다. 이에 의해, 표면에 유리 피막이 형성된 강판 지철(강판 본체)을 만들어냈다. 다음에, 유리 피막 상에 인산 알루미늄으로 이루어지는 절연재를 도포, 베이킹(850℃×1분)하여, 절연 피막을 형성하였다.
그리고, 절연 피막 및 유리 피막이 형성된 강판 지철에 대하여 레이저 빔을 조사하여, 강판 지철의 표면에 변형을 부여하였다.
레이저 조사 장치로서는, 도 4에 도시한 레이저 조사 장치(106)를 사용하고, 레이저 발진기(102)로서는, CO2 레이저를 사용하였다. 본 실시예 1∼4 및 비교예 1에서는, 레이저 발진기(102)로부터 출사되는 직선 편광의 레이저 빔에 대하여, 광로에 있어서 레이저 발진기(102)와 금속 미러(126) 사이에 설치한 λ/2판(125)을 회전시킴으로써, 직선 편광의 배향과 주사 방향이 이루는 각도 θ를 변경하면서, 방향성 전자 강판(10) 상에 레이저 빔을 집광ㆍ주사하였다. 비교예 2에서는, λ/2판(125) 대신에 λ/4판을 설치하고, 레이저 빔을 원편광으로 하는 조건에서, 방향성 전자 강판(10) 상에 레이저 빔을 집광ㆍ주사하였다. 이 원편광에는, P 편광과 S 편광이 50％씩 포함되어 있다. 또한, 본 실시예 및 비교예 모두, 방향성 전자 강판(10) 상에 도달하는 레이저 빔의 조사 조건으로서, 레이저 빔의 파워를 2㎾, 주사 방향의 빔 직경을 4㎜, 압연 방향의 빔 직경을 0.15㎜, 레이저 빔의 레이저 주사폭을 500㎜로 하였다. 최대 입사각 φMAX는 24°이었다.
또한, 유리 피막(14)에 대한 흠의 발생에 기인하는 녹의 발생의 판정을, 습윤 시험에 의해 행하였다. 습윤 시험은, JISK2246-5.34에 준하여 행하고, 시험 조건은, 온도 50℃, 습도 98％, 시험 시간 72시간으로 하였다. 그 후, 레이저 조사부의 녹 발생의 유무를 육안 확인하였다. 각 조건에 대하여, 강판의 폭 방향 길이 100㎜, 강판의 압연 방향 길이 500㎜의 사이즈의 사각편을 10매 잘라내고, 녹의 발생이 있었던 매수로 평가를 행하였다.
시험 결과를 하기의 표 1에 나타낸다. P 편광과 S 편광이 50％씩 포함되는 비교예 1(직선 편광으로 θ=45°) 및 원편광의 레이저 빔을 사용하는 비교예 2에 있어서는, 레이저 주사폭의 단부에 있어서 녹의 발생이 현저하다. 한편, 본 실시예 1∼4에 있어서는, 직선 편광의 레이저 빔을 사용함과 함께, 직선 편광의 배향과 주사 방향의 각도 θ를 45° 초과 90° 이하로 설정함으로써, 레이저 주사폭의 단부에 있어서의 녹의 발생을 크게 저감할 수 있다. 특히, 각도 θ를 70° 이상 90° 이하로 설정함으로써, 녹의 발생을 완전히 방지할 수 있다. 또한, 각도 θ가 60°일 때는, 레이저 주사폭의 단부에 있어서 녹의 발생은 확인할 수 없었지만, 유리 피막(14)에는 부분적으로 손상이 확인되었다. 이 손상부를 광학 현미경으로 관찰한 바, 유리 피막(14)에 손상이 있지만, 지철부는 노출되어 있지 않았다. 이 때문에, 녹의 발생이 없었던 것으로 생각된다. 현미경에 의해 단면을 관찰하면, 각도 θ가 70° 이상인 경우에는, 레이저 주사폭의 단부에 있어서의 유리 피막(14)은 건전하였다.
Figure pct00003
이상의 시험 결과로부터, P 편광과 S 편광 중 S 편광의 영향을 지배적으로 할 수 있는 각도 범위, 즉, 각도 θ를 45° 초과 90° 이하로 설정함으로써, 무편광의 경우와 비교하여, 레이저 주사폭의 단부에 있어서의 레이저 빔의 흡수율을 저하시킬 수 있고, 그 결과, 레이저 주사폭의 단부에 있어서의 녹 발생의 저감 효과가 얻어지는 것을 알 수 있다.
또한, 직선 편광의 배향과 주사 방향이 이루는 각 θ를 90°로 고정하고, 레이저 빔의 최대 입사각 φMAX를 24° 내지 40°의 범위에서 변경한 경우에, 레이저 주사폭 L의 단부에 있어서의 녹 발생 매수가 어떻게 변화되는지를 확인하였다. 그 결과를 표 2에 나타낸다.
Figure pct00004
결과를 표 2에 나타낸다. 최대 입사각 φMAX가 33°일 때는, 레이저 주사폭 L의 단부에 있어서 녹의 발생은 확인할 수 없었지만, 유리 피막(14)에는 부분적으로 손상이 확인되었다. 이 손상부를 광학 현미경으로 관찰한 바, 유리 피막(14)에 손상이 있지만, 지철부는 노출되어 있지 않았다. 이 때문에, 녹의 발생이 없었던 것으로 생각된다. 한편, 레이저 빔의 최대 입사각 φMAX가 33°를 초과하면, 레이저 주사폭 L의 단부에 있어서의 녹 발생 매수가 급격하게 증가하는 것을 알 수 있었다. 이것은, 레이저 빔의 최대 입사각 φMAX가 33°를 초과하면, 기준 경로 길이에 대한 경로 길이의 확대율이 19％를 초과하는 것이 원인으로 생각된다. 즉, 레이저 주사폭 L의 전체에 걸쳐 확실하게 녹 발생을 방지하기 위해서는, 레이저 빔의 최대 입사각 φMAX를 상기 조건식 (1)에 기초하여 설정하는 것이 바람직한 것이 실험에 의해 확인되었다.
<정리>
상술한 바와 같이, 본 실시 형태에 관한 레이저 가공 장치(100)에 있어서, 방향성 전자 강판(10)에 주사되는 직선 편광의 배향과 주사 방향이 이루는 각도 θ가 45° 초과 90° 이하로 설정된다.
이에 의해, 유리 피막(14)의 레이저 주사폭 L의 단부 P2, P3에 있어서의 레이저 빔의 흡수율을 저하시킬 수 있기 때문에, 사입사에 기인하여 단부 P2, P3에서의 레이저 빔의 경로 길이가 길어져도, 단부 P2, P3에 있어서 절연 피막(16) 및 유리 피막(14)에 흡수되는 파워의 증가를 억제할 수 있다. 이 결과, 레이저 주사폭 L의 단부 P2, P3에 있어서의 유리 피막(14)의 흠의 발생을 억제하는 것이 가능해진다. 또한, 상술한 바와 같이, 레이저 주사폭 L의 중앙부 P1에 있어서의 레이저 빔의 흡수 파워는 저하되지 않기 때문에, 중앙부 P1에 있어서 철손 저감 효과는 열화되지 않는다. 즉, 레이저 주사폭 L의 전체에 걸쳐, 철손을 저감하는 점과, 유리 피막(14)에 있어서의 흠의 발생을 방지하는 점을 모두 실현할 수 있다.
본 실시 형태에 관한 레이저 가공 장치(100)에 의하면, 상기의 철손 저감과 유리 피막(14)의 흠 억제에 의해, 유리 피막(14)에 있어서의 흠 발생을 억제하면서, 저철손의 방향성 전자 강판(10)을 제조하는 것이 가능해진다. 이 때문에, 유리 피막(14)에 흠이 발생한 것에 기인하는 절연 피막(16)의 재도포에 의한 비용 상승 요인을 배제할 수 있다. 그 결과, 극저철손의 방향성 전자 강판(10)을 보다 저렴하게 공급하는 것이 가능해질 뿐만 아니라, 극저철손의 방향성 전자 강판(10)을 세상에 널리 보급시킴으로써 에너지 소비량의 삭감을 실현할 수 있다고 하는 관점에서도, 다대한 경제적 효과가 발휘된다.
이상, 첨부 도면을 참조하면서 본 발명의 적합한 실시 형태에 대하여 상세하게 설명하였지만, 본 발명은 이러한 예에 한정되지 않는다. 본 발명이 속하는 기술 분야에 있어서의 통상의 지식을 갖는 자라면, 특허 청구 범위에 기재된 기술적 사상의 범주 내에서, 각종 변경예 또는 수정예에 상도할 수 있는 것은 명확하고, 이들에 대해서도, 당연히 본 발명의 기술적 범위에 속하는 것으로 이해된다.
10 : 방향성 전자 강판
12 : 강판 본체
14 : 유리 피막
16 : 절연 피막
100 : 레이저 가공 장치
102 : 레이저 발진기
104 : 레이저 빔 전송로
106 : 레이저 조사 장치
125 : λ/2판
126 : 금속 미러
128 : 폴리곤 미러
130 : 포물면 미러

Claims (5)

  1. 방향성 전자 강판에 레이저 빔을 집광하여 주사 방향으로 주사하여, 상기 방향성 전자 강판의 자구를 세분화하기 위한 레이저 가공 장치이며,
    상기 방향성 전자 강판에 집광되는 레이저 빔은 직선 편광이고,
    상기 직선 편광의 배향과, 상기 주사 방향이 이루는 각도가, 45° 초과 90° 이하인 것을 특징으로 하는, 레이저 가공 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 방향성 전자 강판에 대한 상기 레이저 빔의 최대 입사각 φMAX가, 하기 조건식 (1)을 만족시키는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
    Figure pct00005
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 방향성 전자 강판에 집광되는 레이저 빔의 파장은 7㎛ 초과인 것을 특징으로 하는, 레이저 가공 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    레이저 빔을 출사하는 레이저 발진기를 더 구비하고,
    상기 레이저 발진기는, 직선 편광을 출사하는 CO2 레이저인 것을 특징으로 하는, 레이저 가공 장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 방향성 전자 강판에 집광된 레이저 빔의 집광 형상이 타원이고,
    상기 타원의 단축 방향이 상기 주사 방향에 대하여 직교하는 것을 특징으로 하는, 레이저 가공 장치.
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