JP6672818B2 - 方向性電磁鋼板製造方法、方向性電磁鋼板製造装置、及び方向性電磁鋼板 - Google Patents
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Description
しかしながら、凹溝の長手方向端部近傍をラップさせるためにはレーザビーム照射装置の設置台数の増加を招き、ひいては方向性電磁鋼板の製造コストが増大するという問題が生じる。
請求項1に記載の発明は、方向性電磁鋼板材料に、圧延方向に間隔を空けて、前記圧延方向と交差する複数の凹溝を形成することで方向性電磁鋼板を製造する、方向性電磁鋼板製造方法であって、レーザビームを照射するレーザビーム照射部と、複数の平面鏡で構成され、前記レーザビームを前記平面鏡で反射させて前記方向性電磁鋼板材料の表面をスキャンし、前記凹溝を形成する多面体ポリゴンミラーと、前記多面体ポリゴンミラーを回転させる回転駆動部と、前記多面体ポリゴンミラーの回転方向位置を検出する回転位置検出部と、前記レーザビーム照射部と前記回転駆動部を制御する制御部と、を備えた方向性電磁鋼板製造装置を用い、前記多面体ポリゴンミラーの回転軸から前記平面鏡に垂線を下した位置を基準として、前記レーザビームが、前記多面体ポリゴンミラーの角部で分散されることなく、一つの前記平面鏡で全反射されるときに、前記レーザビームの焦点の中心が位置する最大の角度を、全反射限界角度θcとすると、前記レーザビームの出力と前記多面体ポリゴンミラーの回転速度の少なくともいずれか一方を、前記回転方向位置と対応させて制御し、前記レーザビームの前記方向性電磁鋼板材料の表面におけるエネルギー密度を、前記全反射限界角度θcの範囲内でのエネルギー密度に、前記全反射限界角度θcの範囲外においても合わせるように制御する。
その結果、凹溝の長手方向における端部から短い距離で、凹溝底部の定常深さとすることができる。
そして、照射されるレーザビームの方向性電磁鋼板材料の表面におけるエネルギー密度を特定範囲内に制御するとは、多面体ポリゴンミラーの回転方向位置における対象範囲(エネルギー密度を調整しようとする対象範囲)内で、多面体ポリゴンミラーの回転方向位置に関係なく、方向性電磁鋼板材料の表面におけるレーザビームのエネルギー密度を、対象範囲内の各位置において予め設定した特定範囲内(上限と下限の間)に制御することをいう。
なお、レーザビームのエネルギー密度を特定範囲内に制御することには、エネルギー密度と一義的に対応するパラメータを特定範囲内に制御することを含むことはいうまでもない。
ここで、定常加工時におけるレーザビームのエネルギー密度は、レーザビーム出力を(スキャン速度×(照射ビーム直径)×(π/4))(=照射面積)で除した値となる。
言換えると、照射されたレーザビームが平面鏡の角部近傍で分散して反射された場合に、凹溝加工予定部の対象とする部分(対象とするタイミング)に方向性電磁鋼板材料表面の到達するレーザビームのエネルギー密度、及び多面体ポリゴンミラーの一つの平面鏡で分割(又は分散)されることなく反射(全反射)されて方向性電磁鋼板材料の表面に到達する定常加工時のレーザビームのエネルギー密度を、ともに予め設定した特定範囲内(上限と下限の間)に制御することをいう。
なお、レーザビームのエネルギー密度を特定範囲内とする対象部分(回転方向位置の範囲)又はタイミング等は任意に設定することができる。すなわち、凹溝の長手方向における端部近傍のどの範囲を凹溝底部の定常深さとするか、又は端部近傍の深さをどのようなプロフィールとするかについては任意に設定することができる。
また、方向性電磁鋼板材料の一部に凹溝が加工された場合は、凹溝が加工されていない部分を方向性電磁鋼板材料とし、凹溝が加工された部分を方向性電磁鋼板として記載する場合があるものとする。
その結果、凹溝の長手方向端部近傍における凹溝の深さを凹溝端部から短い距離で凹溝底部の定常深さに到達させることができる。
また、凹溝のラップ長さを小さくすることが可能となり、設置台数を少なくすることができる。
その結果、凹溝のラップ長さを小さくすることが可能となり、設置台数を少なくすることができる。
この発明に係る方向性電磁鋼板によれば、鉄損を効率的に改善して、凹溝のラップ長さを小さくすることができる。
以下、図1から図6を参照して、本発明の第1実施形態について説明する。
図1は、本発明の第1実施形態に係る方向性電磁鋼板製造装置の概略構成の一例を説明する図である。図1において、符号1は方向性電磁鋼板製造装置を、符号10は凹溝加工装置を、符号20は通板装置を、符号Wは方向性電磁鋼板材料及び方向性電磁鋼板を示している。また、図2に示した符号Pは、凹溝Uと凹溝Uのピッチを示している。
複数の凹溝加工装置10は、例えば、方向性電磁鋼板W材料に形成する凹溝の長さ及び位置に基づいて方向性電磁鋼板材料Wの幅方向位置、すなわち通板装置20の通板方向と略直交する方向の位置が設定されるとともに、凹溝加工装置10の寸法に基づいて通板方向位置が設定されている。
レーザビーム照射装置11は、例えば、連続照射方式、パルス照射方式のいずれを用いることも可能である。
この実施の形態では、多面体ポリゴンミラー12は、例えば、8枚の平面鏡を備えている。
また、ポリゴンミラー駆動モータ13は、制御部15の指示に基づいて回転数(回転速度)を変えることが可能とされている。
図3は、第1実施形態に係る多面体ポリゴンミラー12の概略構成を説明する図であり、図3(A)は、多面体ポリゴンミラー12を構成する平面鏡の回転角度の基準位置と回転角度の関係を示す図であり、図3(B)は、多面体ポリゴンミラーにおける全反射限界角度θcを説明する正面図であり、図3(C)は、多面体ポリゴンミラーにおける全反射限界角度θcを説明する側面図である。全反射限界角度θcは、定常加工に適用される範囲である。
各平面鏡における全反射限界角度θcは、例えば、図3(B)、図3(C)に示すように、照射されたレーザビームLBが角部で分散(分割)されることなく一つの平面鏡で全反射されるときに、レーザビームLBの焦点の中心が位置される最大の角度を意味している。ここで、φは平面鏡におけるレーザビームLBの半径である。
第1実施形態においては、各平面鏡における全反射限界角度θcの範囲内でのエネルギー密度に、θcの範囲外においても合わせるようにする。このためのレーザビームLBの出力は、回転角度θを〔数式1〕に代入して算出する。
なお、対象とするレーザビームLBは集光形状が丸とし、回転角度θは、凹溝Uのプロフィールに基づいて任意に設定することができる。
〔数式1〕
(−θc)<θ<(+θc)の範囲では
レーザビーム出力P(θ)=P0
(−180/N)≦θ≦(−θc)及び(+θc)≦θ≦(180/N)の範囲では
レーザビーム出力P(θ)=P0+{P0/〔(180/N)−θc〕×(|θ|−θc)}
ここで、
平面鏡の回転角度θにおけるレーザビーム出力:P(θ)
定常時のレーザビーム出力:P0
多面体ポリゴンミラーに入射するビームの半径:φ
多面体ポリゴンミラーを構成する平面鏡の数(面数):N
ポリゴン外接半径:R
多面体ポリゴンミラーの一面でレーザビームを全反射可能な全反射限界角度:θc
ただし、θc=sin−1[2×R×sin(360/N)−φ]/R であり、レーザビームを多面体ポリゴンミラーを構成する1つの平面鏡によって全反射することが可能な限界の角度(中心角)で示される。
以下、第1実施形態を八面体ポリゴンミラー(N=8)に適用する場合のレーザビームの照射条件の一例について説明する。
<照射条件>
定常時のレーザビーム出力:P0=1000W
八面体ポリゴンミラーに入射するビームの半径:φ=10mm
八面体ポリゴンミラーを構成する平面鏡の数(面数):N=8
ポリゴン外接半径:R=75mm
全反射限界角度:θc=14.4(°)
定常時のポリゴンミラーの回転速度V0=800rpm(800×360(°/分)
焦点距離f=200mm
定常加工時に方向性電磁鋼板Wに照射されるレーザビームの直径0.03mm
照射ピッチ5mm
レーザビーム照射長さL=312mm
スキャン速度33.3m/s
定常加工時のエネルギー密度1.27J/mm2
レーザビーム出力P(θ)=P0=1000W
(−22.5°)≦θ≦(−14.4°) 及び(+14.4°)≦θ≦(+22.5°)の範囲
レーザビーム出力P=1000+{123.5×(|θ|−14.4)}
凹溝Uの端部から端部までの長さ(=レーザビーム照射長さ)L=312mm)
凹溝Uの定常深さHの50%以上(=D)である底部の長さL0=302mm
凹溝底部の定常深さ(凹溝底部を100%とした場合の深さ)H=30μm
凹溝の端部から凹溝の端部における表面から定常深さの50%の深さD(=H/2)=15μm
その結果、凹溝Uの端部から定常深さの50%の深さD(=H/2)に到達するまでの長さ=((L−L0)/2)≦5.0mm
その結果、方向性電磁鋼板Wの鉄損を改善することができ、凹溝Uをラップ量≦5mmとすることができる。
その結果、凹溝Uの長手方向端部近傍における凹溝Uの深さを凹溝端部から短い距離で凹溝底部の定常深さに到達させることができる。すなわち、凹溝Uにおける定常深さの底部を長くすることができる。
次に、図1、図2、図7、図8A、図8Bを参照して、本発明の第2実施形態に係る方向性電磁鋼板製造装置について説明する。
凹溝加工装置10Aは、例えば、レーザビーム照射装置(レーザビーム照射部)11と、多面体ポリゴンミラー12と、ポリゴンミラー駆動モータ(回転駆動部)13と、回転位置検出センサ(回転位置検出部)14と、制御部15Aとを備えている。第2実施形態に係る方向性電磁鋼板製造装置1Aが第1実施形態と異なるのは、凹溝加工装置10Aが制御部15に代えて制御部15Aを備えている点であり、その他は、第1実施形態と同様であるので説明を省略する。
ポリゴンミラー駆動モータ13の回転速度は、回転角度θを〔数式2〕に代入して算出する。
なお、対象とする回転角度θは、凹溝Uのプロフィールに基づいて任意に設定することができる。
〔数式2〕
(−θc)<θ<(+θc)の範囲では
V(θ)=V0
(−180/N)≦θ≦(−θc)及び(+θc)≦θ≦(180/N)の範囲では
V(θ)=V0+{V0/[(180°/N)−θc]×(θ−θc)}
で表される。
ここで、
平面鏡の回転角度θにおける多面体ポリゴンミラーの回転速度:V(θ)
定常時の多面体ポリゴンミラーの回転速度:V0
多面体ポリゴンミラーに入射するビームの半径:φ
多面体ポリゴンミラーを構成する平面鏡の数(面数):N
ポリゴン外接半径:R
多面体ポリゴンミラーの一面でレーザビームを全反射可能な全反射限界角度:θc
ただし、θc=sin−1[2×R×sin(360/N)−φ]/R であり、レーザビームを多面体ポリゴンミラーを構成する1つの平面鏡によって全反射することが可能な限界の角度(中心角)で示される。
以下、第2実施形態を八面体ポリゴンミラー(N=8)に適用する場合のレーザビームの照射条件の一例を示す。
<照射条件>
定常時のレーザビーム出力:P0=1000W
八面体ポリゴンミラーに入射するビームの半径:φ=10mm
八面体ポリゴンミラーを構成する平面鏡の数(面数):N=8
ポリゴン外接半径:R=75mm
全反射限界角度:θc=14.4(°)
定常時のポリゴンミラーの回転速度V0=800rpm(800×360(°/分)
焦点距離f=200mm
定常加工時に方向性電磁鋼板Wに照射されるレーザビームの直径0.03mm
照射ピッチ5mm、
レーザビーム照射長さL=312mm
スキャン速度33.3m/s
定常加工時のエネルギー密度1.27J/mm2
V(θ)=V0=800rpm
(−22.5°)≦θ≦(−14.4°)及び(+14.4°)≦θ≦(+22.5°)の範囲では
V(θ)=800+{123.5×(|θ|−14.4)}
である。
凹溝Uの端部から端部までの長さ(=レーザビーム照射長さ)L=312mm)
凹溝Uの定常深さHの50%以上(=D)である底部の長さL0=302mm
凹溝底部の定常深さ(凹溝底部を100%とした場合の深さ)H=30μm
凹溝の端部から凹溝の端部における表面から定常深さの50%の深さD(=H/2)=15μm
その結果、凹溝Uの端部から定常深さの50%の深さD(=H/2)に到達するまでの長さ=((L−L0)/2)≦5.0mm
その結果、方向性電磁鋼板Wの鉄損を改善することができ、凹溝Uをラップ量≦5.0mmにでき、鉄損を効率的に改善することができる。
U 凹溝
1 方向性電磁鋼板製造装置
10 凹溝加工装置
11 レーザビーム照射装置(レーザビーム照射部)
11A コリメータ
11B 集光レンズ(集光光学部品)
12 多面体ポリゴンミラー
13 ポリゴンミラー駆動モータ(回転駆動部))
14 回転位置検出センサ(回転方向位置検出部)
15 制御部
Claims (3)
- 方向性電磁鋼板材料に、圧延方向に間隔を空けて、前記圧延方向と交差する複数の凹溝を形成することで方向性電磁鋼板を製造する、方向性電磁鋼板製造方法であって、
レーザビームを照射するレーザビーム照射部と、複数の平面鏡で構成され、前記レーザビームを前記平面鏡で反射させて前記方向性電磁鋼板材料の表面をスキャンし、前記凹溝を形成する多面体ポリゴンミラーと、前記多面体ポリゴンミラーを回転させる回転駆動部と、前記多面体ポリゴンミラーの回転方向位置を検出する回転位置検出部と、前記レーザビーム照射部と前記回転駆動部を制御する制御部と、を備えた方向性電磁鋼板製造装置を用い、
前記多面体ポリゴンミラーの回転軸から前記平面鏡に垂線を下した位置を基準として、前記レーザビームが、前記多面体ポリゴンミラーの角部で分散されることなく、一つの前記平面鏡で全反射されるときに、前記レーザビームの焦点の中心が位置する最大の角度を、全反射限界角度θcとすると、
前記レーザビームの出力と前記多面体ポリゴンミラーの回転速度の少なくともいずれか一方を、前記回転方向位置と対応させて制御し、
前記レーザビームの前記方向性電磁鋼板材料の表面におけるエネルギー密度を、前記全反射限界角度θcの範囲内でのエネルギー密度に、前記全反射限界角度θcの範囲外においても合わせるように制御する、
方向性電磁鋼板製造方法。 - 方向性電磁鋼板材料に、圧延方向に間隔を空けて、前記圧延方向と交差する複数の凹溝を形成することで方向性電磁鋼板を製造する、方向性電磁鋼板製造装置であって、
レーザビームを照射するレーザビーム照射部と、
複数の平面鏡で構成され、前記レーザビームを前記平面鏡で反射させて前記方向性電磁鋼板材料の表面をスキャンし、前記凹溝を形成する多面体ポリゴンミラーと、
前記多面体ポリゴンミラーを回転させる回転駆動部と、
前記多面体ポリゴンミラーの回転方向位置を検出する回転位置検出部と、
前記レーザビーム照射部と前記回転駆動部を制御する制御部と、
を備え、
前記多面体ポリゴンミラーの回転軸から前記平面鏡に垂線を下した位置を基準として、前記レーザビームが、前記多面体ポリゴンミラーの角部で分散されることなく、一つの前記平面鏡で全反射されるときに、前記レーザビームの焦点の中心が位置する最大の角度を、全反射限界角度θcとすると、
前記制御部は、
前記レーザビームの出力と前記多面体ポリゴンミラーの回転速度の少なくともいずれか一方を、前記回転方向位置と対応させて制御し、
前記レーザビームの前記方向性電磁鋼板材料の表面におけるエネルギー密度を、前記全反射限界角度θcの範囲内でのエネルギー密度に、前記全反射限界角度θcの範囲外においても合わせるように制御する、
方向性電磁鋼板製造装置。 - 方向性電磁鋼板材料に、圧延方向に間隔を空けて、前記圧延方向と交差する複数の凹溝が形成された方向性電磁鋼板であって、
前記凹溝は、レーザビームを照射することで形成され、
前記凹溝の長手方向端部の位置から前記凹溝の深さが定常深さの50%に到達する位置までの、前記方向性電磁鋼板の表面に沿った長さが5.0mm以下に形成されている、
方向性電磁鋼板。
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