(57)【要約】方向性電磁鋼板にレーザビームを集光して走査方向に走査して、前記方向性電磁鋼板の磁区を細分化するためのレーザ加工装置であって、前記方向性電磁鋼板に集光されるレーザビームが、直線偏光であり、前記直線偏光の向きと、前記走査方向との成す角度が、０°以上４５°未満である。
2016002043.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
方向性電磁鋼板にレーザビームを集光して走査方向に走査して、前記方向性電磁鋼板の磁区を細分化するためのレーザ加工装置であって、
前記方向性電磁鋼板に集光されるレーザビームは、直線偏光であり、
前記直線偏光の向きと、前記走査方向との成す角度が、０°以上４５°未満であることを特徴とする、レーザ加工装置。
【請求項２】
請求項１に記載のレーザ加工装置であって、
前記方向性電磁鋼板に対する前記レーザビームの最大入射角φＭＡＸが、下記条件式（１）を満たすことを特徴とするレーザ加工装置。
１／ｃｏｓφＭＡＸ≦１．２４    …（１）
【請求項３】
請求項１または２に記載のレーザ加工装置であって、
前記方向性電磁鋼板に集光されるレーザビームの波長は、０．１５μｍ以上７μｍ以下であることを特徴とする、レーザ加工装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の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発振器と、
前記レーザ発振器が出射したレーザビームを直線偏光にする偏光子と、
を更に備えることを特徴とする、レーザ加工装置。
【請求項５】
請求項４に記載のレーザ加工装置であって、
前記レーザ発振器は、ファイバレーザ又はディスクレーザであることを特徴とする、レーザ加工装置。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載のレーザ加工装置であって、
前記方向性電磁鋼板に集光されたレーザビームの集光形状が、楕円であり、
前記楕円の短軸方向が前記走査方向に対して直交することを特徴とする、レーザ加工装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、トランスの鉄芯等に用いられる方向性電磁鋼板に対してレーザビームを照射して磁区を細分化するレーザ加工装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
方向性電磁鋼板は、鋼板製造時の圧延方向に対して磁化されやすいという特徴を有している。そのため、方向性電磁鋼板は、一方向性電磁鋼板とも呼ばれている。方向性電磁鋼板は、トランス、回転機等の電気機器の鉄芯を構成する素材として用いられる。
方向性電磁鋼板が磁化されるとき、鉄損等のエネルギー損失が発生する。近年では、地球温暖化の進行に伴い、電気機器の省エネルギー化が世界的に求められている。従って、方向性電磁鋼板の鉄損をより低減可能な技術が必要である。【０００３】
鉄損は、渦電流損とヒステリシス損とに分類される。渦電流損は、古典的渦電流損と異常渦電流損とに分類される。古典的渦電流損を低減するために、表面に絶縁皮膜が形成され且つ薄い板厚を有する方向性電磁鋼板が知られている。例えば、下記特許文献１には、鋼板地鉄の表面に形成されたグラス皮膜と、グラス皮膜の表面に形成された絶縁皮膜とを有する方向性電磁鋼板が開示されている。【０００４】
例えば、下記特許文献２及び３には、異常渦電流損を抑制することが可能なレーザ磁区制御法が開示されている。このレーザ磁区制御法では、絶縁皮膜が形成された方向性電磁鋼板の表面にレーザビームが照射され、方向性電磁鋼板の略幅方向（すなわち、方向性電磁鋼板の圧延方向に対して略直交する方向）に沿ってレーザビームが走査される。その結果、方向性電磁鋼板の表面（つまり、地鉄の表面）に、圧延方向に沿って複数の残留歪が周期的に形成されて、方向性電磁鋼板の磁区が細分化される。
このレーザ磁区制御法によれば、レーザビームの走査により、方向性電磁鋼板の最表層に、板厚方向に対して強い温度勾配を有する温度履歴が与えられる。このような温度履歴が与えられることにより、方向性電磁鋼板の地鉄の表面に残留歪みが発生し、その残留歪みが原因で環流磁区が形成される。この還流磁区により、１８０°磁壁間隔が細分化され、その結果、方向性電磁鋼板の異常渦電流損が低減される。【０００５】
上記のように、地鉄表面に形成された環流磁区によって、１８０°磁壁間隔が細分化され、その結果、異常渦電流損が低減される。しかしながら、地鉄表面に形成された環流磁区は、ヒステリシス損を増加させる要因となる。従って、渦電流損及びヒステリシス損を含む鉄損を最小化するためには、環流磁区の幅を狭くすることが有効である。例えば、特許文献３には、優れた微小集光特性を有するＴＥＭ００モードのレーザビームを使用して、狭い領域に強い歪みを形成することにより、狭く且つ十分な強度を持った環流磁区を得る方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】日本国特開２００７−１１９８２１号公報
【特許文献２】日本国特開昭５９−３３８０２号公報
【特許文献３】国際公開２００４／０８３４６５号
【特許文献４】日本国特開昭５８−２９５９２号公報
【特許文献５】日本国特開平２−５２１９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従来のレーザ磁区制御法においては、レーザビームの走査を高速且つ効率的に実施するために、方向性電磁鋼板の表面から一定高さの位置から、１本のレーザビームを方向性電磁鋼板の幅方向に沿って直線的に走査する光学系が用いられる。
このような光学系が用いられる場合、レーザ走査幅の中央部においては、レーザビームは方向性電磁鋼板の表面に対して垂直に入射する。つまり、レーザビームの入射位置がレーザ走査幅の中央部と一致する場合、方向性電磁鋼板の表面に対して直交する方向（法線方向）とレーザビームの伝播方向とのなす角度（レーザビームの入射角φ）は、０°になる。一方、レーザビームの入射位置がレーザ走査幅の端部に近づくほど、レーザビームの入射角φは大きくなる。
このような光学系では、レーザビームの入射位置がレーザ走査幅の中央部から端部に近づくほど（レーザビームの入射角φが大きくなるほど）、レーザビームのビーム径が拡大し、レーザビームのパワー密度が小さくなる。
その結果、レーザ走査幅の中央部で板厚方向に与えられる温度勾配よりも、レーザ走査幅の端部で板厚方向に与えられる温度勾配の方が小さくなるので、レーザ走査幅の端部において適切に磁区を細分化することが困難となる。
このように、従来のレーザ磁区制御法では、レーザ走査幅の全体にわたって十分な磁区制御効果（鉄損低減効果）が得られないという問題がある。【０００８】
上記の問題を解決するには、レーザ走査幅の端部において、レーザビームの吸収率を上げるという案が考えられる。例えば、上記特許文献４及び５には、レーザビーム（直線偏光）の入射角をブリュースタ角に近い角度（例えば４５°以上：特許文献４の請求項３及び特許文献５の請求項１参照）に固定し、常にレーザビームの吸収率を最大化した状態でレーザビームを処理対象物の表面に照射する技術が開示されている。
しかしながら、上記特許文献４及び５に開示された技術は、レーザビームの入射角を固定可能なシステムに有効であるが、上述した従来のレーザ磁区制御法に用いられるシステムのように、レーザビームが所定のレーザ走査幅で走査されるシステム（言い換えれば、レーザビームの入射角が変化するシステム）に適用することは困難である。【０００９】
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、レーザビームのレーザ走査幅の全体にわたり方向性電磁鋼板の鉄損を低減可能なレーザ加工装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、上記課題を解決して係る目的を達成するために、以下の手段を採用する。
（１）本発明の一態様に係るレーザ加工装置は、方向性電磁鋼板にレーザビームを集光して走査方向に走査して、前記方向性電磁鋼板の磁区を細分化するためのレーザ加工装置であって、前記方向性電磁鋼板に集光されるレーザビームは、直線偏光であり、前記直線偏光の向きと、前記走査方向との成す角度が、０°以上４５°未満である。【００１１】
（２）上記（１）に記載のレーザ加工装置において、前記方向性電磁鋼板に対する前記レーザビームの最大入射角φＭＡＸが、下記条件式（１）を満たしていてもよい。
１／ｃｏｓφＭＡＸ≦１．２４    …（１）【００１２】
（３）上記（１）又は（２）に記載のレーザ加工装置において、前記方向性電磁鋼板に集光されるレーザビームの波長が、０．１５μｍ以上７μｍ以下であってもよい。【００１３】
（４）上記（１）〜（３）のいずれか一つに記載のレーザ加工装置が、レーザビームを出射するレーザ発振器と、前記レーザ発振器が出射したレーザビームを直線偏光にする偏光子とを更に備えていてもよい。【００１４】
（５）上記（４）に記載のレーザ加工装置において、前記レーザ発振器が、ファイバレーザ又はディスクレーザであってもよい。【００１５】
（６）上記（１）〜（５）のいずれか一項に記載のレーザ加工装置において、前記方向性電磁鋼板に集光されたレーザビームの集光形状が、楕円であり、前記楕円の短軸方向が前記走査方向に対して直交していてもよい。
【発明の効果】
【００１６】
上記態様によれば、レーザビームのレーザ走査幅の全体にわたり方向性電磁鋼板の鉄損を低減することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の一実施形態に係る方向性電磁鋼板１０の断面図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る方向性電磁鋼板１０の製造工程の一例を示すフローチャートである。
【図３】本発明の一実施形態に係るレーザ加工装置１００の構成例を示す模式図である。
【図４】本発明の一実施形態に係るレーザ照射装置１０６の構成例を示す模式図である。
【図５】方向性電磁鋼板１０上のレーザビームの集光形状を示す図である。
【図６】レーザビームの方向性電磁鋼板１０への入射状態を示す模式図である。
【図７】方向性電磁鋼板１０上におけるレーザビームのビーム径を示す模式図である。
【図８】直線偏光の向きと、レーザビームの走査方向との関係を示す模式図である。
【図９Ａ】直線偏光ＬＢが、入射角φで方向性電磁鋼板１０の表面に入射する場合におけるＰ偏光の電場振動方向を示す図である。
【図９Ｂ】直線偏光ＬＢが、入射角φで方向性電磁鋼板１０の表面に入射する場合におけるＳ偏光の電場振動方向を示す図である。
【図１０】レーザビームのＰ偏光とＳ偏光の地鉄１２の上表面に対する吸収率を示すグラフである。
【図１１】レーザ照射装置１０６の変形例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下に添付図面を参照しながら、本発明の一実施形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
【００１９】
＜方向性電磁鋼板の概要＞
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＜００１＞方向）が製造工程における圧延方向に略揃っている電磁鋼板である。上記のような方向性電磁鋼板において、圧延方向と磁化方向とが一致する複数の磁区が、磁壁に仕切られた状態で配列している。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であるトランスの鉄芯材料として適している。
トランス用のコア（鉄芯）は、巻きコアと積層コアとに大別される。巻きコアの製造工程では、鋼板に巻き変形を加えながらコアの形状に組み上げた後に、その機械的な変形で導入された歪みを除去するために焼鈍が行われる。しかしながら、この焼鈍過程においては、上述のようにレーザ照射により導入された歪みも除去されるので、磁区の細分化効果が消失してしまう。一方、積層コアの製造工程では、上記のような歪除去用の焼鈍工程は不要である。従って、本実施形態に係る方向性電磁鋼板は、特に積層コアの材料として適している。
【００２０】
図１は、本実施形態に係る方向性電磁鋼板１０の断面図である。図１に示すように、方向性電磁鋼板１０は、鋼板本体（地鉄）１２と、鋼板本体１２の両面に形成されたグラス皮膜１４と、グラス皮膜１４上に形成された絶縁皮膜１６と、を有する。
【００２１】
鋼板本体１２は、Ｓｉを含有する鉄合金で構成されている。鋼板本体１２の組成は、一例として、Ｓｉ；２．５質量％以上４．０質量％以下、Ｃ；０．０２質量％以上０．１０質量％以下、Ｍｎ；０．０５質量％以上０．２０質量％以下、酸可溶性Ａｌ；０．０２０質量％以上０．０４０質量％以下、Ｎ；０．００２質量％以上０．０１２質量％以下、Ｓ；０．００１質量％以上０．０１０質量％以下、Ｐ；０．０１質量％以上０．０４質量％以下、残部がＦｅ及び不可避不純物である。鋼板本体１２の厚さは、例えば０．１ｍｍ以上０．４ｍｍ以下である。
【００２２】
グラス皮膜１４は、例えば、フォルステライト（Ｍｇ２ＳｉＯ４）、スピネル（ＭｇＡｌ２Ｏ４）及びコージライト（Ｍｇ２Ａｌ４Ｓｉ５Ｏ１６）、といった複合酸化物によって構成されている。グラス皮膜１４の厚さは、例えば１μｍである。
【００２３】
絶縁皮膜１６は、例えば、コロイド状シリカとリン酸塩（リン酸マグネシウム、リン酸アルミニウムなど）を主体とするコーティング液やアルミナゾルとホウ酸を混合したコーティング液によって構成されている。絶縁皮膜１６の厚さは、例えば２μｍ以上３μｍ以下である。
【００２４】
上述した構成の方向性電磁鋼板１０においては、絶縁皮膜１６の上からレーザビームが照射されることによって、圧延方向にほぼ直交する線状の領域に残留歪が付与される。残留歪が付与された線状領域は、圧延方向に所定の周期で形成され、二つの線状領域に挟まれて圧延方向に磁化が向いた領域において、圧延方向と略直交する方向の磁区幅を細分化する。
【００２５】
＜方向性電磁鋼板の製造方法＞
図２を参照しながら、本実施形態に係る方向性電磁鋼板１０の製造方法について説明する。図２は、本実施形態に係る方向性電磁鋼板１０の製造工程の一例を示すフローチャートである。
【００２６】
方向性電磁鋼板１０の製造工程は、図２に示すように、鋳造工程Ｓ２と、熱間圧延工程Ｓ４と、焼鈍工程Ｓ６と、冷間圧延工程Ｓ８と、脱炭焼鈍工程Ｓ１０と、焼鈍分離剤塗布工程Ｓ１２と、最終仕上げ焼鈍工程Ｓ１４と、絶縁皮膜形成工程Ｓ１６と、レーザ照射工程Ｓ１８と、を含む。
【００２７】
鋳造工程Ｓ２では、所定の組成に調整された溶鋼を連続鋳造機に供給して、鋳塊を連続的に形成する。熱間圧延工程Ｓ４では、鋳塊を所定温度（例えば１１５０〜１４００℃）に加熱して熱間圧延を行う。これにより、所定厚さ（例えば１．８〜３．５ｍｍ）の熱間圧延材が形成される。
【００２８】
焼鈍工程Ｓ６では、熱間圧延材に対して、例えば、加熱温度７５０〜１２００℃、加熱時間３０秒〜１０分の条件で熱処理を行う。冷間圧延工程Ｓ８では、熱間圧延材の表面を酸洗した後に、冷間圧延を行う。これにより、所定厚さ（例えば、０．１〜０．４ｍｍ）の冷間圧延材が形成される。
【００２９】
脱炭焼鈍工程Ｓ１０では、冷間圧延材に対して、例えば、加熱温度７００〜９００℃、加熱時間１〜３分の条件で熱処理を行い、鋼板本体１２を形成する。鋼板本体１２の表面には、シリカ（ＳｉＯ２）を主体とする酸化物層が形成される。焼鈍分離剤塗布工程Ｓ１２では、鋼板本体１２の酸化物層の上に、マグネシア（ＭｇＯ）を主体とする焼鈍分離剤を塗布する。
【００３０】
最終仕上げ焼鈍工程Ｓ１４では、焼鈍分離剤が塗布された鋼板本体１２をコイル状に巻き取った状態で、バッチ式炉内に挿入して熱処理を行う。熱処理条件は、例えば、加熱温度１１００〜１３００℃、加熱時間２０〜２４時間である。この際、鋼板本体１２の搬送方向（圧延方向）と磁化容易軸とが一致した、いわゆるゴス粒が優先的に結晶成長する。この結果、仕上げ焼鈍の後に結晶方位性（結晶配向性）が高い方向性電磁鋼板が得られる。また、最終仕上げ焼鈍工程Ｓ１４により、酸化物層と焼鈍分離剤が反応し、鋼板本体１２の表面にフォルステライト（Ｍｇ２ＳｉＯ４）からなるグラス皮膜１４が形成される。
【００３１】
絶縁皮膜形成工程Ｓ１６では、コイル状に巻き取られた鋼板本体１２を巻き解して板状に伸ばして搬送する。そして、鋼板本体１２の両面に形成されたグラス皮膜１４の上に絶縁剤を塗布、焼付けを行い、絶縁皮膜１６を形成する。絶縁皮膜１６が形成された鋼板本体１２は、コイル状に巻き取られる。
【００３２】
レーザ照射工程Ｓ１８では、コイル状に巻き取られた鋼板本体１２を巻き解して板状に伸ばして搬送する。そして、後述するレーザ照射装置によって、鋼板本体１２の片面に向けてレーザビームを集光・照射し、圧延方向（搬送方向）に搬送される電磁鋼板の略幅方向に走査する。これにより、鋼板本体１２の表面に、圧延方向にほぼ直交する線状の歪が、圧延方向において所定間隔で形成される。なお、このレーザビームの集光、走査は、鋼板本体１２の表面及び裏面の両方から行ってもよい。また、上記のように、絶縁皮膜１６が形成された鋼板本体１２をコイル状に巻き取ってからレーザ照射工程Ｓ１８に送ると説明したが、絶縁皮膜形成直後にレーザ照射を行い、その後コイル状に巻き取ることも可能である。
【００３３】
以上のような製造工程により、鋼板本体１２の表面にグラス皮膜１４及び絶縁皮膜１６が形成され、レーザ照射によって磁区制御された方向性電磁鋼板１０が製造される。
【００３４】
＜レーザ加工装置の構成＞
図３及び図４を参照しながら、方向性電磁鋼板１０にレーザビームを照射して残留歪を付与するレーザ加工装置１００の構成例について説明する。図３は、本実施形態に係るレーザ加工装置１００の構成例を示す模式図である。図４は、一つのレーザ照射装置１０６の構成例を示す模式図である。
【００３５】
レーザ加工装置１００は、圧延方向に一定速度で搬送される方向性電磁鋼板１０の絶縁皮膜１６の上からレーザビームを照射して、圧延方向にほぼ直交する線状の歪を付与する。レーザ加工装置１００は、図３に示すように、レーザ発振器１０２と、伝送ファイバ１０４と、レーザ照射装置１０６とを、それぞれ複数有する。図３では、３つのレーザ発振器１０２、伝送ファイバ１０４、及びレーザ照射装置１０６が示されているが、それぞれの構成は同様である。
【００３６】
レーザ発振器１０２は、例えば１００Ｗ以上の高出力のレーザビームを出射する。レーザ発振器１０２は、例えば波長が０．１５μｍ以上７μｍ以下であるレーザビームを出射する。伝送ファイバ１０４は、レーザ発振器１０２から出射されたレーザビームをレーザ照射装置１０６まで伝送する光ファイバである。
【００３７】
レーザ発振器１０２の種類としては、微小集光特性に優れ、狭い環流磁区を形成できる観点等から、ファイバレーザ又はディスクレーザが好ましい。ファイバレーザ又はディスクレーザは、波長が近紫外域から近赤外域（例えば１μｍ帯）にあるためレーザビームを光ファイバによる伝送が可能であり、レーザビームを光ファイバで伝送することで比較的コンパクトなレーザ加工装置１００を実現できる。レーザ発振器１０２は、連続波レーザでもパルスレーザでも良い。
【００３８】
レーザ照射装置１０６は、レーザ発振器１０２から伝送ファイバ１０４により伝送されたレーザビームを方向性電磁鋼板１０に集光し、圧延方向にほぼ直交する方向に走査させる。一つのレーザ照射装置１０６がレーザビームを走査できる幅は、方向性電磁鋼板１０の板幅よりも小さいこともあるが、図３に示すようにレーザ照射装置１０６を板幅方向に複数配列させることにより、方向性電磁鋼板１０の板幅全域に亘ってレーザビームを走査できる。
【００３９】
レーザ照射装置１０６は、図４に示すように、コリメータレンズ１２２と、偏光子の一例である偏光ビームスプリッタ１２４と、λ／２板１２５と、金属ミラー１２６と、ポリゴンミラー１２８と、放物面ミラー１３０と、を有する。
【００４０】
コリメータレンズ１２２は、伝送ファイバ１０４から伝送されたレーザビームを平行光とする。平行光であるレーザビームは、ここでは無偏光のビームであり、偏光ビームスプリッタ１２４に入射する。
【００４１】
偏光ビームスプリッタ１２４は、入射した無偏光のレーザビームを直線偏光にする。偏光ビームスプリッタ１２４の後に、λ／２板１２５を設置すれば、λ／２板１２５の回転角度を変更することにより、直線偏光の向きを調整することが可能である。なお、偏光ビームスプリッタ１２４をレーザビームの中心軸周りに回転可能に配置することにより、λ／２板１２５を設置せずとも、直線偏光の向きを調整することができる。また、偏光の向きを変化させる素子としては、λ／２板１２５の代わりにファラデーローテータ等も用いることができる。なお、レーザビームを直線偏光にする理由については、後述する。また、もともと直線偏光のレーザビームを発振するレーザ発振器１０２（例えばディスクレーザ、偏光保存型ファイバーレーザ、スラブ型ＣＯ２レーザ、その他共振器内に偏光規制素子を設けたレーザ）を用いる場合は、例えば図４に示す偏光ビームスプリッタ１２４のような、偏光を直線偏光に変換する光学素子を省略できる。さらに、鋼板面上での直線偏光の向きが、後述する所定の方向を向いている場合は、λ／２板１２５を省略することができる。
尚、本発明における直線偏光レーザとして、一方向にのみ振動する電界成分（直線偏光成分）を有するレーザ光を使用することが理想的であるが、厳密には、その直線偏光成分に対して直交する電界成分（直交成分）も極わずかに存在する。直線偏光成分のパワーと直交成分のパワーとの比は、上述の偏光ビームスプリッタ１２４の性能やレーザ発振器１０２の性能に依存する。直線偏光成分のパワーをＰＷ１とし、その直交成分のパワーをＰＷ２とした時、（ＰＷ１／（ＰＷ１＋ＰＷ２））を偏光度として定義した場合、本発明における直線偏光は、０．９以上１．０未満の偏光度を有する。すなわち、０．９以上１．０未満（９０％以上１００％未満）の偏光度を有する直線偏光レーザを用いた場合に、後述の実施例の結果が得られた。なお、直交プリズムなどを用いて直線偏光を分離することにより、直線偏光成分の割合を解析することができる。
【００４２】
金属ミラー１２６は、入射したレーザビームの方向性電磁鋼板１０の板幅方向（図５参照）のビーム径を絞り、調整するためのミラーである。金属ミラー１２６としては、例えば１軸方向に曲率を持った円柱ミラーや放物面ミラーを用いることができる。金属ミラー１２６で反射したレーザビームは、所定の回転速度で回転するポリゴンミラー１２８に入射する。
【００４３】
ポリゴンミラー１２８は、回転可能な多面体であり、回転することによりレーザビームを方向性電磁鋼板１０の板幅方向に走査する。レーザビームがポリゴンミラー１２８の多面体のある一面に入射する間、その面の回転に伴って、レーザビームが方向性電磁鋼板１０上の板幅方向に沿った１本の線状の領域に走査されて、その線状の領域に残留歪が付与される。ポリゴンミラーの回転に伴い、このレーザビームの走査が繰り返されると同時に、方向性電磁鋼板１０は圧延方向に搬送される結果、方向性電磁鋼板１０上に線状の残留歪を持った領域が、圧延方向に周期的に形成される。なお、線状の領域の圧延方向の周期は、方向性電磁鋼板１０の搬送速度と、ポリゴンミラー１２８の回転速度とによって調整される。
【００４４】
放物面ミラー１３０は、ポリゴンミラー１２８で反射したレーザビームの圧延方向のビーム径を絞り、調整するためのミラーである。放物面ミラー１３０により反射されたレーザビームは、方向性電磁鋼板１０の表面に集光される。
【００４５】
図５は、方向性電磁鋼板１０上のレーザビームの集光形状を示す図である。本実施形態において、レーザビームの集光形状は、図５に示すように楕円である。この楕円の長軸方向は、レーザビームの走査方向と平行であり、楕円の短軸方向は、走査方向に対して直交する。言い換えれば、楕円の短軸方向は、圧延方向と平行である。このようにレーザビームの集光形状を楕円とすることにより、方向性電磁鋼板１０のある一点に対してレーザビームの照射時間が長くなる。その結果、方向性電磁鋼板１０の内部の深い位置まで温度を上昇させることができるので、鉄損の低減に有効である。なお、金属ミラー１２６によって板幅方向（走査方向）のビーム径が絞られると共に、放物面ミラー１３０によって圧延方向のビーム径が絞られることにより、レーザビームの集光形状が楕円となる。また、レーザビームの集光形状を楕円とすると、集光形状が真円である場合に比べて、レーザビームの集光面積が拡大することによりパワー密度が低下する。その結果、方向性電磁鋼板１０の表面近傍の板厚方向に対する温度勾配が急峻になることを防止できるので、グラス皮膜１４における疵の発生の抑制に有効である。
【００４６】
なお、上記の説明では、方向性電磁鋼板１０上のレーザビームの集光形状が楕円である場合を例示したが、本発明はこれに限定されない。例えば、レーザビームの集光形状が、真円であっても良い。
【００４７】
また、本実施形態においては、圧延方向のビーム径（８６％の積分強度が含まれる幅）が２００μｍ以下となるように、レーザビームの強度分布を設定することが望ましい。これにより、圧延方向への熱伝導の広がりをより抑制しながら狭い環流磁区を形成することで、鉄損を大きく低減することができる。さらに、鉄損を確実に低減するには、上記ビーム径を１２０μｍ以下とすることがより望ましい。
【００４８】
＜レーザビームのレーザ走査幅における入射状態について＞
レーザ照射装置１０６が方向性電磁鋼板１０の表面に所定のレーザ走査幅に亘ってレーザビームを走査する際に、レーザ走査幅の中央部と端部において方向性電磁鋼板１０の表面に対するレーザビームの入射状態が異なる。
【００４９】
図６は、レーザビームの方向性電磁鋼板１０への入射状態を示す模式図である。一つのレーザ照射装置１０６が走査方向において所定のレーザ走査幅Ｌにレーザビームを走査した際に、図６に示すように、レーザ走査幅Ｌの中央部Ｐ１におけるレーザビームの入射状態と、レーザ走査幅Ｌの端部Ｐ２、Ｐ３におけるレーザビームの入射状態とが、異なる。具体的には、レーザ走査幅Ｌの中央部Ｐ１においては、レーザ照射装置１０６の放物面ミラー１３０で反射したレーザビームが、方向性電磁鋼板１０の表面（絶縁皮膜１６）に垂直に入射する。一方、レーザ走査幅Ｌの両端部Ｐ２、Ｐ３においては、レーザビームが、方向性電磁鋼板１０の表面に斜めに入射（表面の法線方向に対して入射角φで入射）する。
すなわち、レーザビームの入射位置がレーザ走査幅Ｌの中央部Ｐ１と一致する場合、方向性電磁鋼板１０の表面に対して直交する方向（法線方向）とレーザビームの伝播方向とのなす角度（レーザビームの入射角φ）は、０°になる。一方、レーザビームの入射位置がレーザ走査幅Ｌの端部Ｐ２またはＰ３に近づくほど、レーザビームの入射角φは大きくなる。
【００５０】
図７は、方向性電磁鋼板１０上におけるレーザビームのビーム径を示す模式図である。図７において、符号ＬＢ１は、レーザ走査幅Ｌの中央部Ｐ１で集光されたレーザビームを示す。符号ＬＢ２は、レーザ走査幅Ｌの一方の端部Ｐ２で集光されたレーザビームを示す。符号ＬＢ３は、レーザ走査幅Ｌの他方の端部Ｐ３で集光されたレーザビームを示す。レーザ走査幅Ｌの端部Ｐ２、Ｐ３ではレーザビームが斜めに入射するので、レーザビームＬＢ２、ＬＢ３の走査方向のビーム径（走査方向における楕円形状のビームの長軸の長さ）が、中央部Ｐ１のレーザビームＬＢ１のビーム径よりも大きくなる。なお、レーザ走査幅Ｌの端部Ｐ２、Ｐ３ではレーザビームが斜めに入射するので、放物面ミラー１３０から鋼板上の照射点までの距離が長くなる。その結果、レーザビームＬＢ２、ＬＢ３の圧延方向のビーム径（圧延方向に沿った楕円形状のビームの短軸の長さ）も、中央部Ｐ１のレーザビームＬＢ１のビーム径より大きくなる。
【００５１】
上記のように、ビーム径が大きくなると、レーザビームの照射面積が広くなるため、レーザビームのパワー密度が低下する。この結果、レーザ走査幅Ｌの端部Ｐ２、Ｐ３における板厚方向に対する温度勾配が、中央部Ｐ１における温度勾配よりも小さくなり、端部Ｐ２、Ｐ３において磁区を適切に細分化することができない。
【００５２】
本実施形態では、上記問題を解決するために、方向性電磁鋼板１０の表面（絶縁皮膜１６）に集光されるレーザビームを直線偏光とすると共に、図８に示すように、直線偏光の向きと、レーザビームの走査方向との成す角度θを０°以上４５°未満に設定している。なお、図８は、レーザビームの入射角φが０°の場合における、直線偏光の向きと、レーザビームの走査方向との関係を示す模式図である。なお、レーザビームの走査方向と直線偏光の向きとの成す角度θが０°以上４５°未満であれば、直線偏光の向きと、レーザビームの走査方向との関係が図８に対して線対称的な関係であってもよい。
【００５３】
本実施形態のように角度θを０°以上４５°未満に設定する場合には、後述するように、レーザ走査幅Ｌの端部Ｐ２、Ｐ３におけるレーザビームの吸収率を上げることができるため、端部Ｐ２、Ｐ３でのビーム径が大きくなっても、鋼板に吸収されるパワー密度が低下することを抑制できる。これにより、レーザ走査幅Ｌの端部Ｐ２、Ｐ３における板厚方向に対する温度勾配の低下を抑制でき、中央部Ｐ１における温度勾配との差異を小さくすることができる。その結果、レーザ走査幅Ｌの全体にわたって均一に鉄損を低減することが可能となる。
【００５４】
＜直線偏光と吸収率の関係について＞
ここで、直線偏光の向きと、レーザビームの走査方向との成す角度θによって、レーザビームの吸収率が上がる原理について説明する。
【００５５】
方向性電磁鋼板１０に入射するレーザビームは、絶縁皮膜１６で一部が反射され、残りが絶縁皮膜１６へ入射する。絶縁皮膜１６へ入射したレーザビームは、絶縁皮膜１６内部で一部が吸収され、グラス皮膜１４の上表面に到達し、ここで一部が反射され、残りがグラス皮膜１４へ入射する。グラス皮膜１４へ入射したレーザビームは、グラス皮膜１４内部で一部が吸収され、鋼板本体（以下、地鉄とも呼ぶ）１２の上表面に到達し、その一部が鋼板本体１２の表面で吸収される。そして、方向性電磁鋼板１０に伝達されるレーザビームのパワーは、上述したように絶縁皮膜１６等において吸収されるレーザビームの吸収率に左右される。絶縁皮膜１６等におけるレーザビームの吸収率が大きければ、方向性電磁鋼板１０に伝達されるレーザビームのパワーも大きくなる。
【００５６】
ところで、直線偏光は、通常、Ｐ偏光（Ｐ波とも呼ぶ）とＳ偏光（Ｓ波とも呼ぶ）を含む。Ｐ偏光の吸収率とＳ偏光の吸収率が異なることが、知られている。このため、Ｐ偏光とＳ偏光の絶縁皮膜１６等に吸収される割合に応じて、方向性電磁鋼板１０に伝達されるレーザビームのパワーも変化する。
【００５７】
図９Ａは、直線偏光ＬＢが、入射角φで方向性電磁鋼板１０の表面に入射する場合におけるＰ偏光の電場振動方向を示している。図９Ｂは、直線偏光ＬＢが、入射角φで方向性電磁鋼板１０の表面に入射する場合におけるＳ偏光の電場振動方向を示している。図９Ａ及び図９Ｂに示すように、直線偏光ＬＢが、入射角φで方向性電磁鋼板１０の表面に入射する場合、Ｐ偏光の電場振動方向とＳ偏光の電場振動方向とは、異なる。具体的には、直線偏光が走査される際に、Ｐ偏光の電場は、図９Ａに示す二重線矢印方向に振動し、Ｓ偏光の電場は、図９Ｂに示すように紙面に直交する方向に振動する。
【００５８】
図１０は、レーザビームのＰ偏光とＳ偏光の地鉄１２の上表面に対する吸収率を示すグラフである。図１０に示すように、Ｐ偏光の吸収率は、Ｓ偏光の吸収率よりも大きい。そして、レーザビーム（直線偏光）の入射角φが大きくなるにつれて、Ｐ偏光の吸収率が増加し、Ｓ偏光の吸収率が減少する。図１０は、方向性電磁鋼板１０から絶縁皮膜１６とグラス皮膜１４が除去されて残る地鉄１２の上表面に対する吸収率を示しているが、絶縁皮膜１６上表面での吸収率と、グラス皮膜１４の上表面での吸収率も、図１０と同様の傾向を示す。
【００５９】
直線偏光の向きと走査方向との成す角度θが０°の場合には、入射面（方向性電磁鋼板１０の表面）に対してＰ偏光のみが入射する。角度θが４５°の場合には、入射面に対してＰ偏光とＳ偏光が半分ずつ入射する。角度θが９０°の場合には、入射面に対してＳ偏光のみが入射する。従って、角度θが０°以上４５°未満である場合には、Ｐ偏光とＳ偏光のうちＰ偏光の影響が支配的となり、入射角φの増加とともにレーザビームの吸収率が大きくなる。一方で、角度θが４５°超９０°以下である場合には、Ｓ偏光の影響が支配的となり、入射角φの増加とともにレーザビームの吸収率が小さくなる。
【００６０】
本実施形態では、レーザ照射装置１０６のレーザ走査幅Ｌの端部Ｐ２、Ｐ３におけるレーザビームの吸収率を上げるために、直線偏光の向きとレーザビームの走査方向との成す角度θを０°以上４５°未満に設定している。これにより、レーザ走査幅Ｌの端部Ｐ２、Ｐ３において絶縁皮膜１６等に伝達されるレーザビームのパワーを増大させることができる。そのため、レーザ走査幅Ｌの端部Ｐ２、Ｐ３においてビーム径が大きくなったとしても、端部Ｐ２、Ｐ３におけるレーザビームのパワー密度の低下を抑制できる。この結果、レーザ走査幅Ｌの端部Ｐ２、Ｐ３における板厚方向に対する温度勾配の低下を抑制でき、中央部Ｐ１における温度勾配との差異を小さくすることができる。
【００６１】
特に、直線偏光の向きとレーザビームの走査方向との成す角度θを０°以上２０°以下に設定した場合には、レーザ走査幅Ｌの端部Ｐ２、Ｐ３におけるレーザビームのパワー密度の低下をより抑制できるので、レーザ走査幅Ｌの全体に亘って板厚方向に対する温度勾配を均一にすることが可能となる。
【００６２】
また、本実施形態では、レーザビームの波長が、０．１５μｍ以上７μｍ以下である場合に特に効果的である。レーザビームの波長が０．１５μｍ以上７μｍ以下の場合には、絶縁皮膜１６とグラス皮膜１４がレーザビームに対して透明であり、レーザビームは絶縁皮膜１６及びグラス皮膜１４の内部で吸収され難い。この場合、方向性電磁鋼板１０に伝達されるレーザビームのパワーは、絶縁皮膜１６の上表面でのレーザビームの吸収率と、グラス皮膜１４の上表面でのレーザビームの吸収率と、地鉄１２の上表面でのレーザビームの吸収率とに依存して決まる。すなわち、レーザビームの絶縁皮膜１６上表面での吸収率と、グラス皮膜１４の上表面での吸収率と、地鉄１２の上表面での吸収率との積が重要である。これら３つの吸収率のいずれについても、図１０に示すように、角度θの増加に伴いＰ偏光の吸収率が増加する。この乗算的効果のおかげで、角度θを０°以上４５°未満に設定することにより、レーザ走査幅Ｌの端部Ｐ２、Ｐ３においてレーザビームの絶縁皮膜１６への吸収をより一層促進させることができる。その結果、レーザ走査幅Ｌの端部Ｐ２、Ｐ３における温度勾配の低下を抑制でき、本実施形態の有効性がより一層発揮される。
【００６３】
また、本願発明者は、レーザビームの入射角φが０°の場合におけるビーム径（以下、基準ビーム径と呼称する）に対するビーム径の拡大率が２４％を超えると、上記のように、直線偏光の向きと走査方向とのなす角θを０°以上４５°未満に設定したとしても、レーザ走査幅Ｌの端部Ｐ２、Ｐ３におけるレーザビームのパワー密度の低下を十分に抑制できない（言い換えれば、レーザ走査幅Ｌの端部Ｐ２、Ｐ３における鉄損改善率が低下する）ことを発見した。
これは、基準ビーム径に対するビーム径の拡大率が２４％を超えると、ビーム径の拡大に起因するパワー密度の低下量を、レーザビーム（直線偏光）の吸収率の上昇量で補えなくなることが原因と考えられる。
そこで、レーザ走査幅Ｌの全体にわたって均一且つ確実に鉄損を低減するために、レーザビームの最大入射角φＭＡＸを以下の条件式（１）に基づいて設定することが好ましい。
１／ｃｏｓφＭＡＸ  ≦  １．２４      …（１）
【００６４】
上記条件式（１）において、左辺は、基準ビーム径に対するビーム径（最大入射角φＭＡＸの時のビーム径）の拡大率を示す。従って、上記条件式（１）により、基準ビーム径に対する拡大率が２４％を越えない最大入射角φＭＡＸを得ることができる。上記条件式（１）より、最大入射角φＭＡＸは３６°以下であることが好ましいことがわかる。例えば、図４に示すポリゴンミラー１２８を使用するレーザ照射装置１０６においては、ポリゴンミラー１２８の面数をＮとすると、レーザビームの最大入射角φＭＡＸは、３６０°／Ｎで表すことができる。したがって、図４に示すレーザ照射装置１０６においては、Ｎは１０以上であることが好ましい。
既に述べたように、上記特許文献４及び５には、レーザビーム（直線偏光）の入射角をブリュースタ角に近い角度（例えば４５°以上）に固定し、常にレーザビームの吸収率を最大化した状態でレーザビームを処理対象物の表面に照射する技術が開示されている。これに対して、本発明の実施形態では、レーザビームの最大入射角φＭＡＸを４５°未満（詳細には３６°以下）に設定し、その最大入射角φＭＡＸを越えない範囲（つまりレーザ走査幅Ｌ）でレーザビームを方向性電磁鋼板１０上で走査する点で、特許文献４及び５に開示された技術と明らかに異なっている。
【００６５】
また、図１１に示すように、ポリゴンミラー１２８の代わりに、ガルバノミラー１４０を使用してもよい。このガルバノミラー１４０は、駆動モータ１４１によって図中の矢印方向に回転駆動される。ガルバノミラー１４０が回転することにより、レーザビームが方向性電磁鋼板１０の板幅方向（走査方向）に沿って走査される。このような構成によると、ガルバノミラー１４０の回転角度を制御することによって、レーザビームの入射角φを制御することが可能である。従って、ガルバノミラー１４０を使用することにより、レーザビームの最大入射角φＭＡＸを適切な値に設定することも容易である。
【００６６】
なお、上述したように、直線偏光の向きと走査方向との成す角度θは、λ／２板１２５等、レーザビームの直線偏光の向きを回転させる素子を挿入することで調整可能である（図４参照）。また、上記では、レーザ発振器１０２から出射された無偏光のレーザビームを直線偏光にする偏光ビームスプリッタ１２４（図４参照）を設けているが、本発明はこれに限定されない。例えば、レーザ発振器１０２に直線偏光を出射するレーザを用いれば、偏光ビームスプリッタ１２４を設けなくても良い。この場合にも、レーザ走査幅Ｌの端部Ｐ２、Ｐ３における板厚方向に対する温度勾配の低下を抑制できる。なお、λ／２板１２５を挿入せずとも、直線偏光の向きと走査方向との成す角度θを所望の範囲に設定することができる場合、λ／２板１２５を省略することが可能である。例えば、直線偏光を出射するレーザ発振器１０２を用いて鋼板面上までレーザビームを伝送することにより、角度θを０°以上４５°未満に設定することができる場合には、λ／２板１２５を省略することが可能である。
【００６７】
＜磁区の細分化とグラス皮膜の疵について＞
ところで、圧延方向に磁界をかけられた方向性電磁鋼板１０は、前述したように、圧延方向と磁化方向とがほぼ一致する磁区を複数配列した構造を有する。ここで、方向性電磁鋼板１０の鉄損の更なる低減を図るためには、レーザビームの照射により磁区を細分化する（磁区を狭くする）ことが有効である。特に、方向性電磁鋼板１０の最表層近傍の圧延方向に沿って存在するごく狭い幅の領域の板厚方向に対して大きな温度勾配を与えることにより、狭く且つ十分な強度を持った環流磁区を得ることが有効である。
【００６８】
一方で、板厚方向に対する温度勾配を大きくすると、方向性電磁鋼板１０の表面の温度が上昇する。そして、温度上昇に起因して、絶縁皮膜１６やグラス皮膜１４に疵が生じる場合がある。ここで、疵とは、絶縁皮膜１６およびグラス皮膜１４の欠損剥離、浮き上がり、変質、変色等の皮膜損傷である。グラス皮膜１４に疵が発生した場合には、鋼板本体１２が外部に露出し、錆が発生する恐れがある。このため、グラス皮膜１４に疵が生じた場合には、再度、絶縁皮膜１６を塗布する必要があり、工程の追加による製造コストアップの原因となってしまう。
【００６９】
また、方向性電磁鋼板１０の製造工程においては、多くの熱処理が実施されるため、鋼板本体１２の圧延方向及び幅方向において、グラス皮膜１４や絶縁皮膜１６の界面構造や厚みにばらつきが生じることがある。よって、レーザ条件を調整しても、鋼板本体１２全体でグラス皮膜１４における疵の発生を確実に抑制することが困難なことがあった。このため、方向性電磁鋼板１０の鉄損を低減しつつ、グラス皮膜１４における疵の発生を防止することが求められている。
【００７０】
本実施形態によれば、レーザ走査幅Ｌの全体にわたり鉄損を低減できるのみならず、疵の発生を抑制する効果も得られる。すなわち、無偏光のレーザビームを用いる従来のレーザ磁区制御法においては、上述したように、レーザ走査幅Ｌの端部Ｐ２、Ｐ３においてビーム径が拡大することにより、板厚方向に対する温度勾配が小さくなり、十分な鉄損低減が得られなくなる。これを補償するためには、レーザビームのパワーを増加させれば良いが、そうすると端部Ｐ２、Ｐ３での鉄損低減を大きくできる反面、レーザ走査幅Ｌの中央部Ｐ１においてレーザビームの吸収パワーが過大となり、疵が発生しやすくなるという問題があった。一方、本実施形態によれば、上述したようにレーザ走査幅Ｌの端部Ｐ２、Ｐ３におけるレーザビームの吸収率を上げるために、入射角φの増加とともに吸収率が大きくなるＰ偏光を含む直線偏光を方向性電磁鋼板１０上に走査している。ここで、レーザ走査幅Ｌの中央部Ｐ１においては、直線偏光が方向性電磁鋼板１０の表面に垂直に入射する（図６、図９Ａ及び図９Ｂに示す入射角φが小さい）ため、中央部Ｐ１においては、Ｐ偏光とＳ偏光の吸収率はほぼ同じである（図１０参照）。無偏光状態を構成するＰ偏光とＳ偏光の吸収率に差がないわけであるから、Ｐ偏光とすることによる吸収率の増加はほとんどない。このため、本実施形態のレーザ加工装置１００によれば、レーザ走査幅Ｌの中央部Ｐ１において方向性電磁鋼板１０に伝達されるレーザビームのパワーが過大になることなく、端部Ｐ２、Ｐ３において吸収されるレーザビームのパワーを増加させることができる。従って、レーザ走査幅Ｌの全体にわたり鉄損の低減と疵発生の抑制が実現される。
【００７１】
以上の実施形態では、図１に示すように、地鉄１２、グラス皮膜１４、絶縁皮膜１６の３層構造から成る方向性電磁鋼板１０にレーザビームの照射を行う例について説明したが、グラス皮膜１４が無く、地鉄１２と絶縁皮膜１６の２層を基本構造とする鋼板に対しても、本実施形態のレーザ加工装置１００はレーザ走査幅Ｌの全体にわたり鉄損を低減できる効果を発揮する。これは、グラス皮膜１４が無くても、レーザビームを直線偏光とし且つ角度θを上述の範囲に設定することで、レーザ走査幅Ｌの端部Ｐ２、Ｐ３における絶縁皮膜１６と地鉄１２のそれぞれの上表面でのレーザビームの吸収率を高めることができるからである。グラス皮膜１４が無い方向性電磁鋼板としては、地鉄表面の凹凸が小さく鏡面に近いために超低鉄損特性を有する方向性電磁鋼板が知られている。このような超低鉄損特性を有する方向性電磁鋼板において、地鉄１２の露出に起因する錆の発生を防止するためには、レーザビームの照射中に絶縁皮膜１６に疵を発生させないことがポイントとなる。本実施形態のレーザ加工装置１００によると、上述のメカニズムによって、レーザ走査幅Ｌの全体にわたり鉄損の低減と絶縁皮膜１６での疵発生の低減が実現される。
【００７２】
＜実施例＞
上述した本実施形態に係る実施例の有効性を確認するために、本実施例及び比較例に係る確認試験例について説明する。
【００７３】
まず、Ｓｉ；３．０質量％、Ｃ；０．０５質量％、Ｍｎ；０．１質量％、酸可溶性Ａｌ；０．０２質量％、Ｎ；０．０１質量％、Ｓ；０．０１質量％、Ｐ；０．０２質量％、残部がＦｅ及び不可避不純物、といった組成のスラブを準備した。このスラブに対して、１２８０℃で熱間圧延を実施し、厚さ２．３ｍｍの熱間圧延材を製出した。次に、熱間圧延材に対して、１０００℃×１分の条件で熱処理を行った。熱処理後に酸洗処理を施した上で冷間圧延を実施し、厚さ０．２３ｍｍの冷間圧延材を製出した。この冷間圧延材に対して、８００℃×２分の条件で脱炭焼鈍を実施した。次に、脱炭焼鈍後の冷間圧延材の両面に、マグネシアを主成分とする焼鈍分離材を塗布した。そして、焼鈍分離材を塗布した冷間圧延材をコイル状に巻き取った状態で、バッチ式炉に装入し、１２００℃×２０時間の条件で仕上げ焼鈍を実施した。これにより、表面にグラス皮膜が形成された鋼板地鉄（鋼板本体）を製出した。次に、グラス皮膜の上に、リン酸アルミニウムからなる絶縁材を塗布、焼き付け（８５０℃×１分）し、絶縁皮膜を形成した。
【００７４】
そして、絶縁皮膜及びグラス皮膜が形成された鋼板地鉄に対して、レーザビームを照射し、鋼板地鉄の表面に歪を付与した。
【００７５】
レーザ照射装置としては、図４に示すレーザ照射装置１０６を用いた。レーザ発振器１０２としては、ファイバレーザを用いた。本実施例では、コリメータレンズ１２２から出射された無偏光ビームを偏光ビームスプリッタ１２４に通し、直線偏光とした。その後、直線偏光をλ／２板１２５に通し、その回転角度を変更することで、直線偏光の向きと走査方向との成す角度θを変更しながら、直線偏光のレーザビームを方向性電磁鋼板１０上に集光・走査した。比較例では、偏光ビームスプリッタ１２４、λ／２板１２５を通さずに、無偏光のレーザビームを方向性電磁鋼板１０上の集光・走査した。なお、本実施例及び比較例とも、レーザビームの照射条件として、方向性電磁鋼板１０上に到達するレーザビームのパワーを２ｋＷ、走査方向のビーム径を４ｍｍ、圧延方向のビーム径を０．１２ｍｍ、レーザ走査幅を５００ｍｍとした。最大入射角φＭＡＸは２４°であった。
【００７６】
レーザ処理した鋼板の一部と同一コイルの鋼板の中でレーザ処理しなかった部分をそれぞれ、ＳＳＴ（Ｓｉｎｇｌｅ  ｓｈｅｅｔ  ｔｅｓｔｅｒ）試験にかけ、Ｗ１７／５０（Ｗ／ｋｇ）の鉄損を評価した。Ｗ17/50は、周波数５０Ｈｚ、最大磁束密度１．７Ｔのときの鉄損である。ＳＳＴ測定の試験片としては、鋼板幅方向長さ１００ｍｍ、鋼板圧延方向長さ５００ｍｍのサイズで切り出した四角片を用いた。幅方向の切り出し位置は、レーザ走査幅５００ｍｍに対して中央部と端部それぞれ１００ｍｍずつとした。レーザ処理した鋼板に対する鉄損改善率（％）は、同一コイルの鋼板の中でレーザ処理が施されていない部分の鉄損を基準として定義した。
【００７７】
試験結果を下記の表１に示す。無偏光のレーザビームを用いる比較例１においては、中央部に比べて端部の鉄損が劣化している。一方で、本実施例１〜４においては、直線偏光のレーザビームを用いると共に、角度θを４５°未満に設定することにより、端部の鉄損改善効果が得られている（改善しろは、通常０．５％程度である鉄損改善率評価の誤差を有意に超えている）。特に、角度θを２０°以下とした場合には、鉄損の劣化しろは０．５％未満であり、事実上劣化をなくすことができている。一方、角度θが４５°の比較例２では、無偏光の比較例１と鉄損改善率に実質的な差が無くなっている。これは、角度θが４５°の場合、入射面に対してＰ偏光とＳ偏光が半分ずつ入射することになるため、レーザ走査幅の端部のレーザビームの吸収率を高くする効果が得られないためである。また、角度θが６０°の比較例３では、無偏光の比較例１より鉄損改善率が低い。これは、レーザ走査幅の端部におけるレーザビームの吸収率が逆に低くなってしまうためである。
【００７８】
【表１】
2016002043.tif 000003
【００７９】
以上の試験結果より、Ｐ偏光とＳ偏光のうちＰ偏光の影響を支配的にできる角度範囲、すなわち、角度θを０°以上４５°未満に設定することで、無偏光の場合と比較して、レーザ走査幅の端部におけるレーザビームの吸収率を増加させることができ、その結果、レーザ走査幅の端部における鉄損改善率が向上することが判る。
【００８０】
また、直線偏光の向きと走査方向とのなす角θを０°に固定して、レーザビームの最大入射角φＭＡＸを２４°から４５°の範囲で振った場合に、レーザ走査幅Ｌの端部における鉄損改善率がどのように変化するかを確認した。その結果を表２に示す。
【００８１】
【表２】
2016002043.tif 000004
【００８２】
表２に示すように、レーザビームの最大入射角φＭＡＸが３６°を超えると、レーザ走査幅Ｌの端部における鉄損改善率が急激に悪化することがわかった。最大入射角φＭＡＸが４０°以上の場合は、レーザ走査幅Ｌの端部における鉄損改善率は、表１に示す比較例１（無偏光の場合）と同等かそれ以下となる。これは、レーザビームの最大入射角φＭＡＸが３６°を超えると、基準ビーム径に対するビーム径の拡大率が２４％を超えることが原因と考えられる。すなわち、レーザ走査幅Ｌの全体にわたって均一且つ確実に鉄損を低減するためには、レーザビームの最大入射角φＭＡＸを上記条件式（１）に基づいて設定することが好ましいことが、実験により確認された。
【００８３】
＜まとめ＞
上述したように、本実施形態に係るレーザ加工装置１００において、方向性電磁鋼板１０に走査される直線偏光の向きと走査方向との成す角度θが、０°以上４５°未満に設定される。
【００８４】
これにより、レーザ照射装置１０６のレーザ走査幅Ｌの端部Ｐ２、Ｐ３において鋼板本体１２やグラス皮膜１４に伝達されるレーザビームのパワーを大きくすることができるため、端部Ｐ２、Ｐ３においてビーム径が拡大しても、端部Ｐ２、Ｐ３におけるレーザビームのパワー密度の低下を抑制できる。この結果、レーザ走査幅Ｌの端部Ｐ２、Ｐ３における板厚方向に対する温度勾配の低下を抑制でき、レーザ走査幅Ｌの中央部Ｐ１と端部Ｐ２、Ｐ３での温度勾配の差異を小さくすることが可能となる。また、上述したように、中央部Ｐ１におけるレーザビームの吸収パワーは増加しないため、中央部Ｐ１において疵の発生を抑制することができる。すなわち、レーザ走査幅Ｌの全体にわたって、鉄損を低減する点と、グラス皮膜１４における疵の発生を防止する点を共に実現することができる。
【００８５】
本実施形態に係るレーザ加工装置１００によれば、上記の鉄損低減とグラス皮膜１４の疵抑制によって、方向性電磁鋼板１０の幅方向に沿って全体で見たときに従来よりも鉄損が低い方向性電磁鋼板１０を製造することが可能となる。その結果、極低鉄損の方向性電磁鋼板１０をより安価に供給することが可能となるだけでなく、極低鉄損の方向性電磁鋼板１０を世の中に広く普及させることでエネルギー消費量の削減を実現できるという観点からも、多大なる経済的効果が奏される。
【００８６】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【符号の説明】
【００８７】
１０      方向性電磁鋼板
１２      鋼板本体
１４      グラス皮膜
１６      絶縁皮膜
１００    レーザ加工装置
１０２    レーザ発振器
１０４    伝送ファイバ
１０６    レーザ照射装置
１２２    コリメータレンズ
１２４    偏光ビームスプリッタ
１２５    λ／２板
１２６    金属ミラー
１２８    ポリゴンミラー
１３０    放物面ミラー
【図１】
2016002043.tif 000005
【図２】
2016002043.tif 000006
【図３】
2016002043.tif 000007
【図４】
2016002043.tif 000008
【図５】
2016002043.tif 000009
【図６】
2016002043.tif 000010
【図７】
2016002043.tif 000011
【図８】
2016002043.tif 000012
【図９Ａ】
2016002043.tif 000013
【図９Ｂ】
2016002043.tif 000014
【図１０】
2016002043.tif 000015
【図１１】
2016002043.tif 000016
【国際調査報告】
2016002043.tif 000017
2016002043.tif 000018