JP7332940B2 - 溝加工装置及び溝加工方法 - Google Patents

Description

本発明は、レーザにより対象物に溝を形成する溝加工装置及び溝加工方法に関する。本願は、２０１９年５月１４日に、日本に出願された特願２０１９－０９１０４３号に基づき優先権を主張し、これらの内容をここに援用する。

以前から、ポリゴンミラーを用いて、鋼板の表面に対し鋼板の通板方向に交差する方向（走査方向）にレーザビームを照射し、鋼板の表面に溝を周期的に形成して鉄損特性を改善する溝加工装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

日本国特開２００２－２９２４８４号公報

図１Ａ及び図１Ｂに示すように、溝加工装置のポリゴンミラー１０に入射されるレーザビームＬＢは、点光源ではなく、所定の半径φを有している。

図１Ａに示すように、レーザビームＬＢがポリゴンミラー１０の一面に収まるように入射されたときには、ポリゴンミラー１０で反射されたレーザビームＬＢは、集光レンズ（以下、単にレンズと称する）１２を介して鋼板２０の表面の一ケ所に集光され、鋼板２０の表面の当該箇所に溝が形成される。

一方、図１Ｂに示すように、ポリゴンミラー１０の隣接する二面にまたがった角部にレーザビームＬＢが入射されたときには、レーザビームＬＢは、その隣接する二面のそれぞれから反射されるため、２つのレーザビームＬＢ１及びＬＢ２に分割され、分割されたレーザビームＬＢ１及びＬＢ２が、レンズ１２を介して鋼板２０の表面に集光される。その結果、走査方向における溝の端部が、不十分なエネルギー密度のレーザビームＬＢ１及びＬＢ２で加工されることになるため、溝の端部が浅くなり、均一な溝を形成することができない。また、分割されたレーザビームＬＢ１及びＬＢ２は、レーザビームＬＢとは異なる方向に照射されるため、鋼板２０の表面の溝が形成されるべき位置とは異なる位置や、鋼板２０の表面以外の別の装置等を、誤って加工してしまう虞もある。

このような事態を回避するため、鋼板２０の表面の溝の端部に相当する部分に、レーザビームＬＢ１及びＬＢ２が照射されないように、マスク等の遮蔽板を設けることが考えられる。しかしながら、このような構成では、遮蔽板自体が加工されてしまい、加工で生じた遮蔽板の微小片によって光学部品が汚染されるという課題がある。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、光学部品の汚染を抑止し、均一な溝加工及び溝深さを実現する溝加工装置及び溝加工方法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は、以下の態様を含む。
（１）本発明の一実施形態に係る溝加工装置は、レーザビームによって対象物の表面に溝を形成する溝加工装置であって、前記レーザビームを出力する光源装置と、前記光源装置から出力された前記レーザビームを反射するポリゴンミラーと、前記ポリゴンミラーで反射された前記レーザビームの光路上に設けられ、前記レーザビームを集光する集光光学系と、前記集光光学系と前記対象物との間で、前記集光光学系を介して集光された前記レーザビームの一部を遮る位置に設けられ、前記レーザビームの一部を遮る遮蔽板と、を備え、前記集光光学系を介して集光された前記レーザビームのうち、前記遮蔽板で遮られない前記レーザビームの一部は、前記レーザビームの焦点において前記対象物の表面に溝を形成し、前記遮蔽板は、前記焦点よりも前記集光光学系側に設けられ、前記溝を形成しない前記レーザビームを遮蔽するように前記対象物の表面に対して回動する。
（２）上記（１）に記載の溝加工装置において、前記対象物の表面に対する前記遮蔽板の角度をψとし、前記レーザビームが前記ポリゴンミラーの一枚の平面鏡に収まる最大の角度である臨界角をθｃ（°）としたとき、前記遮蔽板の角度ψが、２θｃ＜ψ≦９０（°）の範囲で傾けられてよい。
（３）上記（２）に記載の溝加工装置において、前記ポリゴンミラーの回転軸から前記ポリゴンミラーの平面鏡に垂線を下した位置を基準位置としたときに、前記ポリゴンミラーで隣接する二枚の平面鏡の境目と前記基準位置とのなす角度をθ０（°）とし、前記遮蔽板が角度ψで傾いている際、前記ポリゴンミラーの回転角度がθ０（°）のときに前記ポリゴンミラーで２θ０（°）の角度で反射した前記レーザビームが、前記遮蔽板に照射される位置を点Ｐ０とし、前記遮蔽板が前記角度ψで傾いている際、前記ポリゴンミラーの回転角度がθｃ（°）のときに前記ポリゴンミラーで２θｃ（°）の角度で反射した前記レーザビームが、前記遮蔽板に照射される位置を点Ｐとし、前記点Ｐと前記点Ｐ０との高さの差をＬｐ０とし、前記集光光学系から前記点Ｐの高さまでの距離をＬ２とすると、Ｌｐ０＜Ｌ２を満たしてよい。
（４）上記（１）から（３）のいずれか１項に記載の溝加工装置において、前記ポリゴンミラーにより前記レーザビームが走査される走査方向において前記遮蔽板の位置を調整する位置調整部を備えてよい。
（５）上記（１）から（４）のいずれか１項に記載の溝加工装置において、前記遮蔽板を下部に配置する筐体を備え、前記筐体は、前記集光光学系により集光された前記レーザビームの光路上に位置する上部開口部を有し、前記上部開口部には、前記レーザビームを吸収または反射しない透過する無色透明の窓板が装着されてよい。
（６）本発明の一実施形態に係る溝加工方法は、レーザビームによって対象物の表面に溝を形成する溝加工方法であって、光源装置により、前記レーザビームを出力する出力ステップと、ポリゴンミラーにより、前記光源装置から出力された前記レーザビームを反射させる反射ステップと、前記ポリゴンミラーで反射された前記レーザビームの光路上に設けられた集光光学系を用いて、前記レーザビームを前記対象物の表面に集光させる集光ステップと、前記集光光学系と前記対象物との間で、前記集光光学系を介して集光された前記レーザビームの一部を遮る位置に設けられた遮蔽板を用いて、前記レーザビームの一部を遮る遮蔽ステップと、を備え、前記集光光学系を介して集光された前記レーザビームのうち、前記遮蔽板で遮られない前記レーザビームの一部は、前記レーザビームの焦点において前記対象物の表面に溝を形成し、前記遮蔽ステップでは、前記焦点よりも前記集光光学系側に設けられ、前記溝を形成しない前記レーザビームを遮蔽するように前記対象物の表面に対して回動する前記遮蔽板を設ける。
（７）上記（６）に記載の溝加工方法において、前記遮蔽ステップでは、前記対象物の表面に対する前記遮蔽板の角度をψとし、前記レーザビームが前記ポリゴンミラーの一枚の平面鏡に収まる最大の角度である臨界角をθｃ（°）としたとき、前記遮蔽板の角度ψを、２θｃ＜ψ≦９０（°）の範囲で傾けてよい。
（８）上記（７）に記載の溝加工方法において、前記遮蔽ステップでは、前記ポリゴンミラーの回転軸から前記ポリゴンミラーの平面鏡に垂線を下した位置を基準位置としたときに、前記ポリゴンミラーで隣接する二枚の平面鏡の境目と前記基準位置とのなす角度をθ０（°）とし、前記遮蔽板が角度ψで傾いている際、前記ポリゴンミラーの回転角度がθ０（°）のときに前記ポリゴンミラーで２θ０（°）の角度で反射した前記レーザビームが、前記遮蔽板に照射される位置を点Ｐ０とし、前記遮蔽板が前記角度ψで傾いている際、前記ポリゴンミラーの回転角度がθｃ（°）のときに前記ポリゴンミラーで２θｃ（°）の角度で反射した前記レーザビームが、前記遮蔽板に照射される位置を点Ｐとし、前記点Ｐと前記点Ｐ０との高さの差をＬｐ０とし、前記集光光学系から前記点Ｐの高さまでの距離をＬ２とすると、Ｌｐ０＜Ｌ２を満たしてよい。
（９）上記（６）から（８）のいずれか１項に記載の溝加工方法において、前記ポリゴンミラーにより前記レーザビームが走査される走査方向において前記遮蔽板の位置を調整する遮蔽板位置調整ステップを更に備えてよい。
（１０）上記（６）から（９）のいずれか１項に記載の溝加工方法において、前記遮蔽板を下部に配置し、前記集光光学系により集光された前記レーザビームの光路上に位置する上部開口部を有する筐体には、前記レーザビームを吸収または反射しない透過する無色透明の窓板を前記上部開口部に装着する筐体装着ステップを更に備えてよい。

本発明によれば、遮蔽板を傾かせることで、遮蔽板でレーザビームを遮る際に生じる遮蔽板の損傷を低減でき、その分、光学部品の汚染を抑止し、均一な溝加工及び溝深さを実現する溝加工装置及び溝加工方法を提供することができる。

レーザビームがポリゴンミラーの一面に収まるように入射されたときに、ポリゴンミラーから反射されたレーザビームが鋼板の表面に集光される状態を示す模式図である。 レーザビームがポリゴンミラーの隣接する二面にまたがって入射されたときに、隣接する二面からそれぞれ反射されたレーザビームが鋼板の表面に集光される状態を示す模式図である。 本発明の一実施形態に係る溝加工装置を鋼板の圧延方向から見た構成を示す模式図である。 ポリゴンミラーの回転角度を説明するための模式図である。 可動遮蔽板装置の構成を示す模式図である。 遮蔽板の最適な位置及び角度について説明するための模式図である。 遮蔽板の角度ψと高さの差Ｌｐ０との関係を示したグラフである。

以下、図面を参照して本発明の一実施形態を説明する。本明細書及び図面において、同一の構成要素には同一の符号を付している。

図２に、本発明の実施形態に係る溝加工装置１００を鋼板２０の圧延方向から見た構成を模式的に示す。溝加工装置１００は、加工する対象物である鋼板２０の表面に、レーザにより溝を周期的に形成する装置である。鋼板２０は、例えば、周知の方向性電磁鋼板材料からなる。溝加工装置１００は、鋼板２０の表面に形成する溝の長さ及び位置に基づいて鋼板２０の幅方向における位置が設定されるとともに、溝加工装置１００の寸法に基づいて、鋼板２０の長手方向における位置が設定されている。鋼板２０の幅方向とは、レーザの走査方向であり、図２における紙面左右方向である。鋼板２０の長手方向とは、鋼板２０の圧延方向であり、図２における紙面奥行方向である。

溝加工装置１００は、図２に示すように、ポリゴンミラー１０と、光源装置１１と、コリメータ１１Ａと、レンズ１２と、可動遮蔽板装置３０とを備えている。

ポリゴンミラー１０は、例えば、正多角柱状をなし、正多角柱を構成する複数の側面に、それぞれ、複数（Ｎ枚）の平面鏡が設けられている。ポリゴンミラー１０に対し、光源装置１１からコリメータ１１Ａを介してレーザビームＬＢが一方向（水平方向）に入射されて平面鏡で反射される（反射ステップ）。

ポリゴンミラー１０は、モータ（図示せず）からの駆動力によって回転軸Ｏ１を中心に回転可能な構成を有し、ポリゴンミラー１０の回転角度に応じて、平面鏡に対するレーザビームＬＢの入射角が順次変化する。これにより、ポリゴンミラー１０は、レーザビームＬＢの反射方向を順次変化させ、鋼板２０の幅方向にレーザビームＬＢを走査させる。

なお、図１Ａ、図１Ｂ、図２及び図３では、ポリゴンミラー１０が八枚の平面鏡を有する例を示しているが、ポリゴンミラー１０を構成する平面鏡の数は特に限定されない。

光源装置１１は、制御部（図示せず）の制御のもとで、所定の照射方式（例えば、連続照射方式又はパルス照射方式）でレーザビームを出力する（出力ステップ）。

コリメータ１１Ａは、光ファイバケーブル１５を介して光源装置１１に接続されている。コリメータ１１Ａは、光源装置１１から出力されたレーザビームの半径を調整し、調整後のレーザビームＬＢをポリゴンミラー１０に向けて出力する。ポリゴンミラー１０に向けて出力されるレーザビームＬＢは、所定の半径φを持ったレーザ径を有しており、当該レーザ径は円形をなしているが、楕円形であってもよい。その場合、コリメータ１１Ａとポリゴンミラー１０の間に円柱レンズ又は円柱ミラーを挿入して一軸（例えば走査方向）のビーム半径を変更することにより、集光形状を楕円にすることができる。

レンズ１２は、ポリゴンミラー１０で反射されたレーザビームの光路上に設けられた集光光学系であり、一枚のガラスに研削、研磨等の加工を施すことにより製造される。なお、溝加工装置１００を構成する集光光学系として、集光レンズ１２に代えてミラーを採用するようにしてもよい。

レンズ１２は、レンズ１２の外側（外周）に一体的に設けられた非集光部（図示せず）を有してもよい。非集光部は、ポリゴンミラー１０の隣接する二枚の平面鏡にまたがる角部から分割して反射されたレーザビームＬＢ１及びＬＢ２の光路に位置し、分割されたレーザビームＬＢ１及びＬＢ２を通過させる。非集光部はドーナツ型の板状の平面光学系である。非集光部は、焦点距離が無限遠であるため、焦点を有さない。非集光部を通過したレーザビームＬＢ１及びＬＢ２は、集光しないことからエネルギー密度が高くならない。よって、非集光部を通過したレーザビームＬＢ１及びＬＢ２を遮蔽板３５に照射したとしても、遮蔽板３５の損傷は少ない。尚、非集光部は、平面光学系ではなく、例えば、分割されたレーザビームＬＢ１及びＬＢ２を発散させる光学系であってもよい。

後述の可動遮蔽板装置３０は、レンズ１２と鋼板２０との間に設けられている。可動遮蔽板装置３０は、ポリゴンミラー１０で反射してレンズ１２を通過するレーザビームＬＢの光路上に配置されている。ポリゴンミラー１０で反射されたレーザビームＬＢが、レンズ１２及び可動遮蔽板装置３０を通過し、鋼板２０の表面に集光される（集光ステップ）ことで、鋼板２０の表面に溝が形成される。

また、レーザビームＬＢを鋼板２０の表面に照射して溝を形成する溝加工方法では、地鉄を溶融除去して溝を形成するため、溝を深くすると、表面の溶融突起の発生確率が高くなる。このため、溝加工装置１００は、溶融物を吹き飛ばすためのアシストガスを噴射する供給ノズル（図示せず）を所定位置に備えるようにしてもよい。また、溝加工装置１００の、コリメータ１１Ａ、ポリゴンミラー１０、レンズ１２、可動遮蔽板装置３０の周囲を図示しない筐体で覆い、当該筐体内を清浄な気体で満たして陽圧とすることで、筐体内に溶融物等が入ることを防止し、溝加工装置１００の光学系が溶融物等によって汚染されることを防止するようにしてもよい。

次に、図３を参照して、ポリゴンミラー１０の回転角度について説明する。本実施形態において、ポリゴンミラー１０の回転角度θ（°）は、ポリゴンミラー１０を構成する平面鏡毎に、基準位置に対する中心角によって定義するものとする。図３に示すように、ポリゴンミラー１０の回転軸Ｏ１から平面鏡１０１に垂線ＰＬを下した位置を基準位置（θ＝０（°））とする。ポリゴンミラー１０の回転角度θは、基準位置（θ＝０（°））に対して、各平面鏡上に入射したレーザビームＬＢの中心ＬＢｃの位置がなす角度（中心角）である。図３において、基準位置（θ＝０（°）；垂線ＰＬ）に対して反時計回りの角度を正の角度、時計回りの角度を負の角度としている。

各平面鏡における基準位置（θ＝０（°））と、隣接する平面鏡との境目とのなす角度θ０は１８０（°）／Ｎである。一枚の平面鏡における回転角度θは-θ０≦θ≦＋θ０の範囲で定義される。よって、図３において、平面鏡１０１における回転角度θ＝＋θ０と、平面鏡１０１と反時計周り方向で隣接する平面鏡１０２における回転角度θ＝－θ０は、ポリゴンミラー１０上の同一の位置を示している。

本実施形態において、入射するレーザビームＬＢが、ポリゴンミラー１０の一面（一枚の平面鏡）に収まる最大の角度を臨界角θｃと定義する。すなわち、臨界角θｃは、レーザビームＬＢがポリゴンミラー１０の隣接する二面の平面鏡（二枚の平面鏡）にまたがった角部で分割されることなく一枚の平面鏡で全反射されるときに、レーザビームＬＢの中心ＬＢｃが位置する最大の角度である。ポリゴンミラー１０の外接円Ｃ１の半径（外接半径）をＲ、ポリゴンミラー１０に入射されるレーザビームＬＢの半径をφとすると、臨界角θｃは下記の式（１）のように定義される。

θｃ＝ｓｉｎ^－１［（Ｒ×ｓｉｎθ０－φ）／Ｒ］ …（１）

次に、図４を参照して、可動遮蔽板装置３０の具体的な構成について説明する。図４に示すように、可動遮蔽板装置３０は、金属材料などにより形成された箱型の筐体３１を有し、レーザビームＬＢの走査方向ｘに対向配置された対の遮蔽板３５が、筐体３１内の下部に配置された構成を有する。なお、後述するように遮蔽板３５は回動部３７ａを支点として回動するが、図４中３５ａは、回動により遮蔽板３５を倒したときの遮蔽板を示す。

筐体３１には、レンズ１２により集光されたレーザビームＬＢの光路上に位置する上部に上部開口部３１ａが、下部に下部開口部３１ｂが形成されており、上部開口部３１ａに無色透明の窓板３３が装着されている（筐体装着ステップ）。窓板３３は、例えばガラス板である。窓板３３は、レーザビームを吸収または反射しない透過する窓板である。例えば、材質は合成石英のガラス板に両面に反射防止膜をコーティングする。これにより、この窓板３３によって上部開口部３１ａを閉鎖するとともに、ポリゴンミラー１０で反射し、かつレンズ１２を通過したレーザビームＬＢが筐体３１の上部を透過できるように構成されている。

また、窓板３３を透過したレンズ１２からのレーザビームＬＢは、筐体３１の下部開口部３１ｂを通過して鋼板２０の表面に照射される。可動遮蔽板装置３０を通過するレーザビームＬＢは、ポリゴンミラー１０が回転駆動されることで、ポリゴンミラー１０の回転角に応じてレーザビームＬＢの傾動角度が変更し、鋼板２０の表面において、レーザビームＬＢの照射位置が鋼板２０の幅方向で移動する。すなわち、可動遮蔽板装置３０を通過するレーザビームＬＢは、鋼板２０の幅方向を走査方向ｘとして鋼板２０の表面上で移動する。

筐体３１の下部開口部３１ｂには、レーザビームＬＢの走査方向ｘにて対向配置された開口部末端３１ｃの近傍にそれぞれ遮蔽板３５が設けられている。遮蔽板３５は、レンズ１２と鋼板２０との間に設けられている。すなわち、遮蔽板３５は、レンズ１２を通過したレーザビームＬＢの焦点よりもレンズ１２側に設けられている。遮蔽板３５は、レンズ１２を介して集光されたレーザビームの一部を遮る（遮蔽ステップ）。レーザビームＬＢの走査方向ｘにて対向配置された対の遮蔽板３５は、同一構成を有しており、例えば、鋼材などにより板状に形成されている。これら遮蔽板３５には、レーザビームＬＢの走査方向ｘで遮蔽板３５の位置を調整する位置調整部３４と、鋼板２０の表面に対して遮蔽板３５の板面の角度を調整する角度調整部３６と、がそれぞれ設けられている。

本実施形態において、位置調整部３４は、例えば、筐体３１の下部開口部３１ｂに形成された案内溝であり、当該案内溝がレーザビームＬＢの走査方向ｘに沿って形成されている。位置調整部３４は、遮蔽板３５が案内溝内にスライド可能に設けられており、案内溝に沿って遮蔽板３５をレーザビームＬＢの走査方向ｘに移動させる（遮蔽板位置調整ステップ）。

このように、位置調整部３４は、レーザビームＬＢの走査方向ｘにおいて遮蔽板３５の位置を調整することで、レンズ１２を通過したレーザビームＬＢが鋼板２０の中央側から鋼板端部側へと走査方向ｘに沿って移動する際に、鋼板２０の幅方向端部側へ移動したレーザビームＬＢが遮蔽板３５に照射されるようにしている。このような構成により、レーザビームＬＢが遮蔽板３５に照射される走査方向ｘ（鋼板２０の幅方向）の範囲を調整することができる。

遮蔽板３５は、レンズ１２を介して集光され走査方向ｘに移動するレーザビームＬＢの一部を、走査方向末端で遮蔽することで、走査方向末端でレーザビームＬＢを鋼板２０の表面に照射させず、鋼板２０の表面に溝を形成させないようにする。一方で、レンズ１２を介して集光され、走査方向ｘに移動するレーザビームＬＢのうち、遮蔽板３５で遮られないレーザビームＬＢの残りの一部は、レーザビームＬＢの焦点において鋼板２０の表面に集光されて溝を形成することになる。

したがって、遮蔽板３５は、回転駆動するポリゴンミラー１０の平面鏡で反射した、エネルギー密度が高いレーザビームＬＢのうち鋼板２０上の溝加工位置以外に照射される不要なビームや、エネルギー密度が低いポリゴンミラー１０の角部で分割されたレーザビームＬＢ１及びＬＢ２を、遮蔽することで、走査方向ｘにおける溝の端部が浅くならず、鋼板２０上の溝の位置以外を加工することなく、鋼板２０において均一な溝加工及び溝深さを実現させることができる。

本実施形態において、角度調整部３６は、遮蔽板３５を筐体３１の下部に対して回動可能にする回動部３７ａと、遮蔽板３５が傾倒する軌道を規定した案内部３７ｂと、案内部３７ｂに遮蔽板３５を回動可能に連結させる連結部３７ｃとを備えている。遮蔽板３５は、遮蔽板３５の表面が向かい合うように回動する。これにより、回動部３７ａは、回転軸を中心に遮蔽板３５を回動させることで、鋼板２０の表面に対して、遮蔽板３５の平坦な板面を傾斜させる。

本実施形態の場合、回動部３７ａ及び案内部３７ｂが、位置調整部３４により、遮蔽板３５と連動して、レーザビームＬＢの走査方向に沿ってスライド可能に設けられている。すなわち、回動部３７ａは、例えば、位置調整部３４に設けられ、位置調整部３４のスライドによって、レーザビームＬＢの走査方向に沿って移動可能な構成を有する。また、案内部３７ｂは、例えば、位置調整部３４の筐体３１の内壁に沿った部分に設けられた案内溝であり、位置調整部３４のスライドによって走査方向に移動可能であるとともに、連結部３７ｃの軌道を案内することで、連結部３７ｃを有する遮蔽板３５をレーザビームＬＢの走査方向に沿って移動可能な構成を有する。

ここで、案内部３７ｂは、例えば、金属材料などからなり、湾曲した長穴を有する環状部材であり、湾曲した長穴に沿って、遮蔽板３５に設けられた連結部３７ｃが移動する。この場合、連結部３７ｃは、例えば、案内部３７ｂの長穴内で配置された突起部材であり、案内部３７ｂの長穴に沿って移動する。遮蔽板３５は、遮蔽板３５の下側端部に設けられた回動部３７ａを中心に回動するとともに、連結部３７ｃが案内部３７ｂの湾曲した長穴に沿って移動することで、鋼板２０の表面に対する傾斜角度を変化させることができる。

遮蔽板３５は、溝を形成しないレーザビームＬＢを遮蔽するように鋼板２０の表面に対して回動する。したがって、鋼板２０に対する遮蔽板３５の角度を調整することで、角度調整部３６は、レーザビームＬＢが遮蔽板３５に照射される際に、エネルギー密度が高いレーザビームＬＢが照射されることを抑制でき、レーザビームＬＢが照射されることによる遮蔽板３５の損傷を低減させることができる。

すなわち、レーザビームＬＢは、所定の半径φを持ったレーザ径を有しているが、レーザビームＬＢに対する遮蔽板３５のなす角度が変化することで、遮蔽板３５上に現れるレーザ径の大きさが変化し、それによって、遮蔽板３５に照射されるレーザビームＬＢのエネルギー密度が変化するので、遮蔽板３５の損傷を低減させる角度に設定することが可能となる。

また、レーザビームＬＢは、レーザビームＬＢの焦点となる鋼板２０の表面でエネルギー密度がもっとも高くなるようにレンズ１２によって集光されるため、レンズ１２から鋼板２０までの距離と同じ距離（すなわち、焦点距離）にある対象には高いエネルギー密度で照射されることになるが、距離がそこから外れる程、エネルギー密度が小さくなる。そこで、焦点よりもレンズ１２側に設けられる遮蔽板３５を傾けることで、レンズ１２からの距離と、レーザ径の変化とのバランスをとることで、エネルギー密度を好適なものとし、遮蔽板３５の損傷を低減させることができる。

次に、図５を参照しながら、レーザビームＬＢの走査方向における遮蔽板３５の位置について説明する。なお、図５中、１０ａは、ポリゴンミラー１０が回転したときの平面鏡の一部を示す。この場合、集光光学系であるレンズ１２の焦点距離をｆとする。ポリゴンミラー１０がθ（°）回転すると、ポリゴンミラー１０で反射したレーザビームＬＢは２θ（°）動く。そして、ポリゴンミラー１０の回転角度θ（°）がθｃ（°）からθ０（°）のとき、遮蔽板３５によってレーザビームＬＢを遮蔽する必要がある。

ここで、ポリゴンミラー１０の平面鏡から集光光学系であるレンズ１２までの距離をＬ１とする。また、集光光学系であるレンズ１２から、ポリゴンミラー１０の回転角度θがθｃ（°）のときにポリゴンミラー１０で２θｃ（°）の角度で反射されたレーザビームＬＢが、遮蔽板３５に照射される位置である点Ｐの高さまでの距離をＬ２とする。なお、本実施形態では、図５に示すように、遮蔽板３５において回動部３７ａがある下側端部が点Ｐとなる。

また、ポリゴンミラー１０の回転角度θが０（°）のときにレーザビームＬＢが通過する、ポリゴンミラー１０から鋼板２０に向かって下した垂線をＰＬ１とする。さらに、ポリゴンミラー１０の回転角度θがθｃ（°）のときにポリゴンミラー１０で反射されたレーザビームＬＢが遮蔽板３５に照射される位置である点Ｐから垂線ＰＬ１に向けて水平に延ばした直線をＸＬ１とする。そして、レーザビームＬＢが通過する垂線ＰＬ１と、点Ｐからの直線ＸＬ１とが交差する点をＰ１とすると、点Ｐと点Ｐ１との距離ｄは下記の式（２）で表すことができる。なお、φは、上述したように、ポリゴンミラー１０に入射されるレーザビームＬＢの半径を示す（図３）。

ｄ＝（Ｌ１＋Ｌ２）×ｔａｎ２θｃ－｛φ/ｆ×（ｆ－Ｌ２）／ｃｏｓ２θｃ｝
…（２）

本実施形態において、位置調整部３４は、遮蔽板３５をレーザビームＬＢの走査方向に移動させ、レーザビームＬＢが通過する垂線ＰＬ１から遮蔽板３５の位置までの距離ｄを、上述した式（２）より算出した距離ｄに調整する。

次に、図５を参照しながら、鋼板２０の表面に対する遮蔽板３５の角度ψについて説明する。この場合、遮蔽板３５の角度ψは、鋼板２０の表面の面方向と、遮蔽板３５の板面とがなす角度である。ここで、遮蔽板３５の点Ｐで、レーザビームＬＢのエネルギー密度が最も高くなるのは、鋼板２０の表面に対する遮蔽板３５の角度ψが、レーザビームＬＢが遮蔽板３５に対して垂直入射することになる２θｃ（°）のときである。

よって、レーザビームＬＢによる遮蔽板３５の表面の損傷をできるだけ避けるためには、遮蔽板３５の角度ψが２θｃ（°）に近くなることを避けて、遮蔽板３５をできるだけ傾けることが望ましい。

遮蔽板３５の角度ψが、ψ＝２θｃのときのレーザビームＬＢのエネルギー密度をＩｐｃとすると、レーザビームＬＢのエネルギー密度Ｉｐｃは、下記の式（３）で表すことができる。なお、ＰはレーザビームＬＢのレーザパワー（Ｗ）を示す。

Ｉｐｃ＝Ｐ／｛π×（φ／ｆ×（ｆ－Ｌ２））^２｝ …（３）

遮蔽板３５が角度ψで傾いているときのレーザビームＬＢのエネルギー密度Ｉｐは、下記の式（４）で表すことができる。

Ｉｐ＝Ｉｐｃ×ｃｏｓ（ψ－２θｃ） …（４）

遮蔽板３５の角度ψが０（°）から２θｃ（°）では、レーザビームＬＢの集光径が小さくなり、点Ｐ以外の部分でレーザビームＬＢのエネルギー密度Ｉｐが高くなるので望ましくない。また、遮蔽板３５の角度ψを９０（°）超以上とすると、遮蔽板３５が傾き過ぎてしまい、遮蔽板３５上部の側面に照射されるレーザビームＬＢの影響が大きくなるため、不測の加工がなされてしまい、望ましくない。

よって、遮蔽板３５の角度ψは、２θｃ＜ψ≦９０（°）であることが望ましい。本実施形態において、角度調整部３６は、回動部３７ａを回動軸として遮蔽板３５の傾きを変えて、鋼板２０の表面に対する遮蔽板３５の角度ψを、２θｃ＜ψ≦９０（°）の範囲で傾くように調整する。

遮蔽板３５の角度ψが大きくなると、集光光学系のレンズ１２と、遮蔽板３５の先端とが接近することから、遮蔽板３５の角度ψがあまり大きくすることは望ましくないため、遮蔽板３５の角度ψは８０（°）以下にすることが、より望ましい。

次に制約条件について説明する。ここで、遮蔽板３５を角度ψで傾けた際、ポリゴンミラー１０の回転角度θがθ０（°）のときにポリゴンミラー１０で２θ０（°）の角度で反射したレーザビームＬＢが、遮蔽板３５に照射される位置を点Ｐ０とする。

そして、同じく、遮蔽板３５を角度ψで傾けた際、ポリゴンミラー１０の回転角度θがθｃ（°）のときにポリゴンミラー１０で２θｃ（°）の角度で反射されたレーザビームＬＢが、遮蔽板３５に照射される位置である点Ｐと、上記の点Ｐ０との高さの差をＬｐ０とすると、Ｌｐ０は下記の式（５）で表すことができる。

Ｌｐ０＝（Ｌ１＋Ｌ２）×ｔａｎ２θ０×ｓｉｎψ／｛ｓｉｎ（９０＋２θ０－ψ）×ｃｏｓ２θ０｝ …（５）

ここで、高さの差Ｌｐ０は、集光光学系であるレンズ１２から当該点Ｐの高さまでの距離Ｌ２よりも小さくなければならない。よって、Ｌｐ０＜Ｌ２を満たさなければならない。

以上の構成において、溝加工装置１００では、レンズ１２と鋼板２０との間に設けた遮蔽板３５によりレンズ１２を通過したレーザビームＬＢを遮り、鋼板２０の表面に溝の端部を形成する際、角度調整部３６によって、鋼板２０の表面に対して遮蔽板３５を角度ψで傾かせる。このように、溝加工装置１００では、遮蔽板３５を角度ψで傾かせることで、遮蔽板３５でレーザビームＬＢを遮る際に生じる遮蔽板３５の損傷を低減できる。よって、その分、光学部品を汚染することなく、均一な溝加工及び溝深さを実現し、鉄損特性の優れた製品を生産することができる。

また、溝加工装置１００では、ポリゴンミラー１０によりレーザビームＬＢが走査される走査方向ｘにおける遮蔽板３５の位置を、位置調整部３４により調整するようにした。これにより、溝加工装置１００では、レンズ１２を通過したレーザビームＬＢが鋼板２０の中央側から鋼板端部側へと走査方向ｘに沿って移動する際に、ポリゴンミラー１０の平面鏡で反射したレーザビームＬＢを遮蔽板３５に照射されるようにし、溝の端部でも均一な溝深さを有した溝を鋼板２０の表面に形成することができる。また、レーザビームＬＢが遮蔽板３５に照射される走査方向ｘ（鋼板２０の幅方向）の範囲を調整することができる。

さらに、溝加工装置１００では、遮蔽板３５の角度ψを調整する際、制約条件としてＬｐ０＜Ｌ２を満たしつつ、角度ψを２θｃ＜ψ≦９０（°）の範囲とすることが望ましい。また、最も望ましい遮蔽板３５の角度ψとしては、２θｃ＜ψ≦９０（°）の範囲で、かつＬｐ０＜Ｌ２の制約条件を満たした角度範囲の中心角度±５（°）であることが望ましい。このように、２θｃ＜ψ≦９０（°）の範囲で、かつＬｐ０＜Ｌ２の制約条件を満たした角度範囲の中心角度±５（°）に、遮蔽板３５の角度ψを調整することで、レーザビームＬＢによる遮蔽板３５の損傷を、より確実に低減させることができる。

なお、上述した実施形態の遮蔽板としては、レーザビームＬＢを吸収する材料で形成するようにしてもよい。遮蔽板にレーザビームのエネルギーを吸収させるために、例えば遮蔽板の表面に黒アルマイト処理や吸収塗料の塗布を行う。さらに、遮蔽板を冷却するため遮蔽板内部に水路を施し、間接水冷却を実施してもよい。

また、上述した実施形態においては、位置調整部３４と角度調整部３６の両方を設けた溝加工装置１００について説明したが、本発明はこれに限らず、角度調整部３６のみを設けた溝加工装置であってもよい。

また、上述した実施形態においては、位置調整部として、案内溝でなる位置調整部３４を適用した場合について述べたが、本発明はこれに限らず、例えば、遮蔽板３５をレーザビームＬＢの走査方向に移動させることができる機構であれば種々の構成を適用してもよい。

また、上述した実施形態においては、角度調整部として、遮蔽板３５の基端に設けられた回動部３７ａを中心に回動して案内部３７ｂに沿って遮蔽板３５を移動させることで遮蔽板３５を傾斜させる角度調整部３６を設けるようにしたが、本発明はこれに限らない。例えば、回動部３７ａのみを設けて遮蔽板３５を回転させ角度を調整できるようにしたり、或いは、案内部３７ｂのみを設けて遮蔽板３５を傾斜させ角度を調整できるようにしたりしてもよい。

次に実施例について説明する。ここでは、始めに、レーザビームＬＢのレーザパワーなどを規定して、ポリゴンミラー１０の平面鏡における基準位置（θ＝０（°））と、隣接する平面鏡との境目とのなす角度θ０を算出し、また、上述した式（１）より臨界角θｃを算出した。

この場合、レーザビームＬＢのレーザパワーを１０００（Ｗ）とし、レーザビームＬＢの半径φを６（ｍｍ）とし、ポリゴンミラー１０の平面鏡の面数Ｎを八面とし、ポリゴンミラー１０の外接半径Ｒを１４０（ｍｍ）とした場合、角度θ０は２２．５（°）となり、臨界角θｃは１９．９（°）であった。

ポリゴンミラー１０の平面鏡から集光光学系のレンズ１２までの距離Ｌ１を、５０（ｍｍ）とし、レンズ１２から遮蔽板３５の点Ｐの高さまでの距離Ｌ２を１５０（ｍｍ）とし、レンズ１２の焦点距離ｆを２００（ｍｍ）として、上述した式（２）から点Ｐと点Ｐ１との距離ｄを算出したところ、距離ｄは１６４．７（ｍｍ）となった。

以上より、上記の距離ｄの算出結果を基に、レーザビームＬＢの走査方向において、位置調整部３４により遮蔽板３５の位置を調整することができる。

次に、遮蔽板３５を角度ψで傾けたときの点Ｐと点Ｐ０との高さの差Ｌｐ０を計算により求め、遮蔽板３５の角度ψと高さの差Ｌｐ０との関係を調べたところ、図６に示すような結果が得られた。図６では、遮蔽板３５の角度ψ（°）を横軸に示し、遮蔽板３５を角度ψで傾けたときの点Ｐと点Ｐ０との高さの差Ｌｐ０（ｍｍ）を縦軸に示している。

ここで、上述した実施形態において説明したように、鋼板２０の表面に対する遮蔽板３５の角度ψは、２θｃ＜ψ≦９０（°）の範囲に調整することが望ましく、また、制約条件として、Ｌｐ０＜Ｌ２を満たすことが望ましい。よって、図５から、遮蔽板３５の角度ψの最小角度２θｃ（°）は、約４０（°）となり、遮蔽板３５の角度ψの最大角度は、制約条件から約７０（°）となることが確認できた。

また、遮蔽板３５の角度ψの最適な範囲は４０（°）から７０（°）の範囲となるが、最も望ましい角度ψとしては、中心角度である５５（°）になることが分かる。以上より、上記の算出結果を基に、角度調整部３６により遮蔽板３５の角度ψを調整することができる。

本発明によれば、遮蔽板を傾かせることで、遮蔽板でレーザビームを遮る際に生じる遮蔽板の損傷を低減でき、その分、光学部品の汚染を抑止し、均一な溝加工及び溝深さを実現する溝加工装置及び溝加工方法を提供することができる。そのため、本発明は、産業上の利用可能性が極めて大である。

１０ ポリゴンミラー
１１ 光源装置
１２ レンズ
２０ 鋼板
３４ 位置調整部
３５ 遮蔽板
３６ 角度調整部
１００ 溝加工装置
１０１、１０２ 平面鏡
ＬＢ レーザビーム

Claims (6)

1. レーザビームによって対象物の表面に溝を形成する溝加工装置であって、
   前記レーザビームを出力する光源装置と、
   前記光源装置から出力された前記レーザビームを、前記対象物上で走査させるように反射するポリゴンミラーと、
   前記ポリゴンミラーで反射された前記レーザビームの光路上に設けられ、前記レーザビームを集光する集光光学系と、
   前記集光光学系と前記対象物との間で、前記集光光学系を介して集光された前記レーザビームの一部を遮る位置に設けられ、前記レーザビームの一部を遮る遮蔽板と、
   を備え、
   前記集光光学系を介して集光された前記レーザビームのうち、前記遮蔽板で遮られない前記レーザビームの一部は、前記レーザビームの焦点において前記対象物の表面に溝を形成し、
   前記遮蔽板は、前記走査の中央に近い側が前記焦点側となり、前記走査の外側に近い側が前記集光光学系側となるように傾けられて、前記焦点よりも前記集光光学系側に設けられ、前記溝を形成しない前記レーザビームを遮蔽するように前記対象物の表面に対して回動する、溝加工装置。
2. 前記対象物の表面に対する前記遮蔽板の角度をψとし、前記レーザビームが前記ポリゴンミラーの一枚の平面鏡に収まる最大の角度である臨界角をθｃ（°）としたとき、
   前記遮蔽板の角度ψが、２θｃ＜ψ≦９０（°）の範囲で傾けられている、請求項１に記載の溝加工装置。
3. 前記ポリゴンミラーの回転軸から前記ポリゴンミラーの平面鏡に垂線を下した位置を基準位置としたときに、前記ポリゴンミラーで隣接する二枚の平面鏡の境目と前記基準位置とのなす角度をθ０（°）とし、
   前記遮蔽板が角度ψで傾いている際、前記ポリゴンミラーの回転角度がθ０（°）のときに前記ポリゴンミラーで２θ０（°）の角度で反射した前記レーザビームが、前記遮蔽板に照射される位置を点Ｐ０とし、
   前記遮蔽板が前記角度ψで傾いている際、前記ポリゴンミラーの回転角度がθｃ（°）のときに前記ポリゴンミラーで２θｃ（°）の角度で反射した前記レーザビームが、前記遮蔽板に照射される位置を点Ｐとし、
   前記点Ｐと前記点Ｐ０との高さの差をＬｐ０とし、
   前記集光光学系から前記点Ｐの高さまでの距離をＬ２とすると、
   Ｌｐ０＜Ｌ２を満たす、請求項２に記載の溝加工装置。
4. レーザビームによって対象物の表面に溝を形成する溝加工方法であって、
   光源装置により、前記レーザビームを出力する出力ステップと、
   ポリゴンミラーにより、前記光源装置から出力された前記レーザビームを、前記対象物上で走査させるように反射させる反射ステップと、
   前記ポリゴンミラーで反射された前記レーザビームの光路上に設けられた集光光学系を用いて、前記レーザビームを集光させる集光ステップと、
   前記集光光学系と前記対象物との間で、前記集光光学系を介して集光された前記レーザビームの一部を遮る位置に設けられた遮蔽板を用いて、前記レーザビームの一部を遮る遮蔽ステップと、
   を備え、
   前記集光光学系を介して集光された前記レーザビームのうち、前記遮蔽板で遮られない前記レーザビームの一部は、前記レーザビームの焦点において前記対象物の表面に溝を形成し、
   前記遮蔽板は、前記走査の中央に近い側が前記焦点側となり、前記走査の外側に近い側が前記集光光学系側となるように傾けられて、前記焦点よりも前記集光光学系側に設けられ、前記溝を形成しない前記レーザビームを遮蔽するように前記対象物の表面に対して回動する、溝加工方法。
5. 前記遮蔽ステップでは、前記対象物の表面に対する前記遮蔽板の角度をψとし、前記レーザビームが前記ポリゴンミラーの一枚の平面鏡に収まる最大の角度である臨界角をθｃ（°）としたとき、
   前記遮蔽板の角度ψを、２θｃ＜ψ≦９０（°）の範囲で傾ける、請求項４に記載の溝加工方法。
6. 前記遮蔽ステップでは、前記ポリゴンミラーの回転軸から前記ポリゴンミラーの平面鏡に垂線を下した位置を基準位置としたときに、前記ポリゴンミラーで隣接する二枚の平面鏡の境目と前記基準位置とのなす角度をθ０（°）とし、
   前記遮蔽板が角度ψで傾いている際、前記ポリゴンミラーの回転角度がθ０（°）のときに前記ポリゴンミラーで２θ０（°）の角度で反射した前記レーザビームが、前記遮蔽板に照射される位置を点Ｐ０とし、
   前記遮蔽板が前記角度ψで傾いている際、前記ポリゴンミラーの回転角度がθｃ（°）のときに前記ポリゴンミラーで２θｃ（°）の角度で反射した前記レーザビームが、前記遮蔽板に照射される位置を点Ｐとし、
   前記点Ｐと前記点Ｐ０との高さの差をＬｐ０とし、
   前記集光光学系から前記点Ｐの高さまでの距離をＬ２とすると、
   Ｌｐ０＜Ｌ２を満たす、請求項５に記載の溝加工方法。

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