(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2022-12-19
(45)【発行日】2022-12-27
(54)【発明の名称】溝加工装置及び溝加工方法
(51)【国際特許分類】
B23K 26/364 20140101AFI20221220BHJP
B23K 26/064 20140101ALI20221220BHJP
B23K 26/082 20140101ALI20221220BHJP
G02B 26/12 20060101ALI20221220BHJP
【ＦＩ】
B23K26/364
B23K26/064 A
B23K26/082
G02B26/12
【請求項の数】
8
(21)【出願番号】P 2021519463
(86)(22)【出願日】2020-05-13
(86)【国際出願番号】 JP2020019132
(87)【国際公開番号】W WO2020230821
(87)【国際公開日】2020-11-19
【審査請求日】2021-11-11
(31)【優先権主張番号】P 2019091044
(32)【優先日】2019-05-14
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
(73)【特許権者】
【識別番号】000006655
【氏名又は名称】日本製鉄株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100106909
【弁理士】
【氏名又は名称】棚井 澄雄
(74)【代理人】
【識別番号】100175802
【弁理士】
【氏名又は名称】寺本 光生
(74)【代理人】
【識別番号】100134359
【弁理士】
【氏名又は名称】勝俣 智夫
(74)【代理人】
【識別番号】100188592
【弁理士】
【氏名又は名称】山口 洋
(72)【発明者】
【氏名】濱村 秀行
【審査官】黒石 孝志
(56)【参考文献】
【文献】特開平７－１７８５８１（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１４－１６１８９９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００２－２８７９８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１６－２０３２２２（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｂ２３Ｋ ２６／００ － ２６／７０
Ｇ０２Ｂ ２６／１２
(57)【特許請求の範囲】
【請求項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反射するポリゴンミラーと、
前記ポリゴンミラーから反射された前記レーザビームの光路に設けられた光学系であって、前記ポリゴンミラーの一面から反射された前記レーザビームを通過させ、前記対象物の表面に集光させる集光部と、前記集光部の外側に設けられ、前記ポリゴンミラーの隣接する二面にまたがる角部から反射された前記レーザビームを通過させ、前記対象物の表面に集光させない非集光部と、を有する光学系と、
を備える、溝加工装置。
【請求項2】
前記非集光部は焦点を有さない、請求項１に記載の溝加工装置。【請求項3】
前記非集光部は、前記ポリゴンミラーの前記角部から反射された前記レーザビームを発散させる、請求項１に記載の溝加工装置。【請求項4】
前記非集光部を通過した前記レーザビームの光路に遮蔽板を備える、請求項１から請求項３の何れか１項に記載の溝加工装置。【請求項5】
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する反射ステップと、
前記ポリゴンミラーの一面から反射された前記レーザビームを集光部に通過させ、前記対象物の表面に集光する、集光部通過ステップと、
前記ポリゴンミラーの隣接する二面にまたがる角部から反射された前記レーザビームを、前記集光部の外側に設けられた非集光部に通過させ、前記対象物の表面に集光させない非集光部通過ステップと、
を備える溝加工方法。
【請求項6】
前記非集光部通過ステップでは、前記非集光部が焦点を有さない、請求項５に記載の溝加工方法。【請求項7】
前記非集光部通過ステップでは、前記非集光部において、前記レーザビームを発散させる、請求項５に記載の溝加工方法。【請求項8】
前記非集光部通過ステップにおいて前記非集光部を通過した前記レーザビームを、前記レーザビームの光路に設けた遮蔽板を用いて遮る遮蔽ステップを更に備える、請求項５から請求項７の何れか１項に記載の溝加工方法。【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
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２０１９－０９１０４４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。
【背景技術】
【0002】
以前から、ポリゴンミラーを用いて、鋼板の表面を鋼板の通板方向に交差する方向（走査方向）にレーザビームで照射して、鋼板の表面に溝を周期的に形成することで、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）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【文献】日本国特開２００２－２９２４８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
【0005】
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から反射されたレーザビームＬＢは、集光レンズ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。
【0006】
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に分割さる。分割されたレーザビームＬＢ１及びＬＢ２は、集光レンズ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。そのため、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。そのため、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。
【0007】
このような事態を回避するため、溝の端部に相当する部分にレーザビームＬＢ１及びＬＢ２を照射しないよう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、光学部品の汚染を招くという課題がある。
【0008】
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、光学部品を汚染することなく、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】
【0009】
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から反射された前記レーザビームの光路に設けられた光学系であって、前記ポリゴンミラーの一面から反射された前記レーザビームを通過させ、前記対象物の表面に集光させる集光部と、前記集光部の外側に設けられ、前記ポリゴンミラーの隣接する二面にまたがる角部から反射された前記レーザビームを通過させ、前記対象物の表面に集光させない非集光部と、を有する光学系と、を備える。
（２）上記（１）に記載の溝加工装置において、前記非集光部は焦点を有さなくてよい。
（３）上記（１）に記載の溝加工装置において、前記非集光部は、前記ポリゴンミラーの前記角部から反射された前記レーザビームを発散させてよい。
（４）上記（１）から（３）の何れか１項に記載の溝加工装置において、前記非集光部を通過した前記レーザビームの光路に遮蔽板を備えてよい。
（５）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する反射ステップと、前記ポリゴンミラーの一面から反射された前記レーザビームを集光部に通過させ、前記対象物の表面に集光する、集光部通過ステップと、前記ポリゴンミラーの隣接する二面にまたがる角部から反射された前記レーザビームを、前記集光部の外側に設けられた非集光部に通過させ、前記対象物の表面に集光させない非集光部通過ステップと、を備える。
（６）上記（５）に記載の溝加工方法において、前記非集光部通過ステップでは、前記非集光部が焦点を有さなくてよい。
（７）上記（５）に記載の溝加工方法において、前記非集光部通過ステップでは、前記非集光部において、前記レーザビームを発散させてよい。
（８）上記（５）から（７）に記載の何れか１項に溝加工方法において、前記非集光部通過ステップにおいて前記非集光部を通過した前記レーザビームを、前記レーザビームの光路に設けた遮蔽板を用いて遮る遮蔽ステップを更に備えてよい。
（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から反射された前記レーザビームの光路に設けられた光学系であって、前記ポリゴンミラーの一面から反射された前記レーザビームを通過させ、前記対象物の表面に集光させる集光部と、前記集光部の外側に設けられ、前記ポリゴンミラーの隣接する二面にまたがる角部から反射された前記レーザビームを通過させ、前記対象物の表面に集光させない非集光部と、を有する光学系と、を備える。
（２）上記（１）に記載の溝加工装置において、前記非集光部は焦点を有さなくてよい。
（３）上記（１）に記載の溝加工装置において、前記非集光部は、前記ポリゴンミラーの前記角部から反射された前記レーザビームを発散させてよい。
（４）上記（１）から（３）の何れか１項に記載の溝加工装置において、前記非集光部を通過した前記レーザビームの光路に遮蔽板を備えてよい。
（５）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する反射ステップと、前記ポリゴンミラーの一面から反射された前記レーザビームを集光部に通過させ、前記対象物の表面に集光する、集光部通過ステップと、前記ポリゴンミラーの隣接する二面にまたがる角部から反射された前記レーザビームを、前記集光部の外側に設けられた非集光部に通過させ、前記対象物の表面に集光させない非集光部通過ステップと、を備える。
（６）上記（５）に記載の溝加工方法において、前記非集光部通過ステップでは、前記非集光部が焦点を有さなくてよい。
（７）上記（５）に記載の溝加工方法において、前記非集光部通過ステップでは、前記非集光部において、前記レーザビームを発散させてよい。
（８）上記（５）から（７）に記載の何れか１項に溝加工方法において、前記非集光部通過ステップにおいて前記非集光部を通過した前記レーザビームを、前記レーザビームの光路に設けた遮蔽板を用いて遮る遮蔽ステップを更に備えてよい。
【発明の効果】
【0010】
本発明によれば、ポリゴンミラーの角部から反射されたレーザビームが光学系の非集光部を通るようにすることで、対象物の表面に溝が加工されることがなくなる。これにより、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。
【図面の簡単な説明】
【0011】
【図1A】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。
【図1B】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。
【図2】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。
【図3】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。
【図4】レンズのサイズを説明するための模式図である。
【図5A】ポリゴンミラーの回転角度とレーザビームの照射状態とを表す模式図である。
【図5B】ポリゴンミラーの回転角度とレーザビームの照射状態とを表す模式図である。
【図5C】ポリゴンミラーの回転角度とレーザビームの照射状態とを表す模式図である。
【図5D】ポリゴンミラーの回転角度とレーザビームの照射状態とを表す模式図である。
【図5E】ポリゴンミラーの回転角度とレーザビームの照射状態とを表す模式図である。
【図6】ポリゴンミラーの回転角度に応じて、鋼板の表面上のレーザビームのスポットが変化する様子を表す模式図である。
【図7】本実施形態の変形例１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。
【図8】本実施形態の変形例２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。
【発明を実施するための形態】
【0012】
以下、図面を参照して本発明の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。
【0013】
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、例えば、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、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、例えば、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。
【0014】
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１３とを備えている。
【0015】
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）。
【0016】
ポリゴンミラー１０は、モータ（図示せず）からの駆動によって回転軸Ｏ１周りに回転可能であり、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、レーザビームＬＢの反射方向が順次変化し、鋼板２０の幅方向にレーザビームＬＢを走査することができる。
【0017】
【0018】
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）。
【0019】
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を出力する。レーザビームＬＢは、所定の半径φの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。
【0020】
レンズ１３は、ポリゴンミラー１０から反射されたレーザビームの光路に設けられた光学系であり、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。レンズ１３は、集光部１３Ａと、集光部１３Ａの外側（外周）に一体的に設けられた非集光部１３Ｂとを有する。なお、以下の説明では、単一のレンズでレンズ１３を構成する場合を例示するが、複数枚の組レンズを用いて、レンズ１３を構成するようにしてもよい。レンズ１３の代わりにミラーを採用してもよい。
【0021】
集光部１３Ａは、ポリゴンミラー１０の一枚の平面鏡から反射されたレーザビームＬＢの光路に位置する。集光部１３Ａは、半径ｒｃ、焦点距離ｆの集光光学系を構成する。ポリゴンミラー１０から反射されたレーザビームＬＢが集光部１３Ａを通過し、鋼板２０の表面に集光される（集光部通過ステップ）ことで、鋼板２０の表面に溝が形成される。
【0022】
非集光部１３Ｂは、ポリゴンミラー１０の隣接する二面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（非集光部通過ステップ）。非集光部１３Ｂは、内円が半径ｒｃ（＝集光部１３Ａの半径）、外円が半径ｒ０のドーナツ型の平板状の平面光学系である。非集光部１３Ｂは、焦点距離が無限遠であるため、焦点を有さない。よって、非集光部１３Ｂを通過したレーザビームＬＢ１及びＬＢ２は鋼板２０の表面に照射されるが、集光しないことからエネルギー密度が高くならず、鋼板２０の表面には溝が形成されない。また、レーザビームＬＢ１及びＬＢ２が鋼板２０の表面に照射されない場合であっても、鋼板２０から外れたレーザビームＬＢ１及びＬＢ２が、鋼板２０の周りにある装置等を誤って加工してしまうことがない。
【0023】
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）を備えるようにしてもよい。
【0024】
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。
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。
【0025】
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。
【0026】
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は式（１）のように定義される。
【0027】
θｃ＝ｓｉｎ－１［（Ｒ×ｓｉｎθ０－φ）／Ｒ］ …（１）
【0028】
ポリゴンミラー１０の回転角度θを用いてレンズ１３のサイズを定義することができる。図４に示すように、平面鏡１０１上の基準位置（θ＝０°）と集光部１３Ａとの距離をＬとすると、集光部１３Ａの半径ｒｃ及び非集光部１３Ｂの外円の半径ｒ０は、それぞれ、式（２）及び式（３）のように与えられる。
ｒｃ＝Ｌ×ｔａｎ２θｃ＋φ／ｃｏｓ２θｃ …（２）
ｒ０＝Ｌ×ｔａｎ２θ０＋φ／ｃｏｓ２θ０ …（３）
ｒｃ＝Ｌ×ｔａｎ２θｃ＋φ／ｃｏｓ２θｃ …（２）
ｒ０＝Ｌ×ｔａｎ２θ０＋φ／ｃｏｓ２θ０ …（３）
【0029】
例えば、溝加工装置１００が以下の仕様で設計されているとする：
レーザビームＬＢの半径φ：６ｍｍ；
ポリゴンミラー１０を構成する平面鏡の数Ｎ：８；
外接半径Ｒ：１４０ｍｍ．
これにより、θ０＝２２．５°、臨界角θｃ＝１９．９°となる。
距離Ｌ＝５０ｍｍとすると、式（２）及び式（３）より、ｒｃ＝４９．４ｍｍ、ｒ０＝５８．５ｍｍとなる。
レーザビームＬＢの半径φ：６ｍｍ；
ポリゴンミラー１０を構成する平面鏡の数Ｎ：８；
外接半径Ｒ：１４０ｍｍ．
これにより、θ０＝２２．５°、臨界角θｃ＝１９．９°となる。
距離Ｌ＝５０ｍｍとすると、式（２）及び式（３）より、ｒｃ＝４９．４ｍｍ、ｒ０＝５８．５ｍｍとなる。
【0030】
【0031】
【0032】
平面鏡１０１の回転角度θが、－θｃ≦θ≦＋θｃ位置にあるとき、平面鏡１０１に入射したレーザビームＬＢは、平面鏡１０１から下方（鋼板２０の表面に向かう方向）に反射され、集光部１３Ａを通り、鋼板２０の表面に集光する。特に、回転角度θ＝０°の位置にあるときには、図５Ａに示すように、平面鏡１０１に入射されたレーザビームＬＢは、平面鏡１０１から鉛直方向（鋼板２０の表面に対して垂直な方向）に反射され、集光部１３Ａの中心を通り、鋼板２０の表面に集光する。そのため、平面鏡１０１の回転角度θが、－θｃ≦θ≦＋θｃの位置にあるときには、レーザビームＬＢが鋼板２０の表面に集光された状態が保持されたまま、ポリゴンミラー１０の回転に伴い、レーザビームＬＢが反射される位置が変化することになる。これにより、鋼板２０の表面に、幅方向（走査方向）に向かって溝が形成される。
【0033】
平面鏡１０１が回転角度θ＝＋θｃの位置に達すると、図５Ｂに示すように、平面鏡１０１から反射されたレーザビームＬＢは、集光部１３Ａの第１端部１３１を通り、鋼板２０の表面に集光する。
【0034】
図５Ｃに示すように、平面鏡１０１が回転角度θ＝＋θ０の位置を越したとき、及び、平面鏡１０２が回転角度θ＝－θ０より手前の位置にあるときは（すなわち、レーザビームＬＢが、隣接する二面の平面鏡１０１及び１０２にまたがる角部に入射されたとき）、入射されたレーザビームＬＢは、２つの平面鏡１０１及び１０２のそれぞれで反射され、２つのレーザビームＬＢ１及びＬＢ２に分割される。２つのレーザビームＬＢ１及びＬＢ２は、非集光部１３Ｂを通り、鋼板２０の表面や周りにある装置等を照射する。
【0035】
平面鏡１０２が回転角度θ＝-θｃの位置に達すると、図５Ｄに示すように、平面鏡１０２から反射されたレーザビームＬＢは、集光部１３Ａの第１端部１３１とは反対側にある第２端部１３２を通り、鋼板２０の表面に集光する。
【0036】
平面鏡１０２の回転角度が、－θｃ≦θ≦＋θｃの位置になると、平面鏡１０２に入射したレーザビームＬＢは、平面鏡１０２から下方（鋼板２０の表面に向かう方向）に反射され、集光部１３Ａを通り、鋼板２０の表面に集光する。特に、平面鏡１０２が回転角度θ＝０°の位置に達すると、図５Ｅに示すように、平面鏡１０２に入射されたレーザビームＬＢは、平面鏡１０２から鉛直方向に反射され、集光部１３Ａの中心を通り、鋼板２０の表面に集光する。
【0037】
一枚の平面鏡１０１に着目すると、回転角度θの範囲が-θｃ≦θ≦＋θｃにあるとき、平面鏡１０１から反射されたレーザビームＬＢは、集光部１３Ａを通り、鋼板２０の表面に集光する。一方、回転角度θの範囲が-θ０≦θ＜-θｃ又は＋θｃ＜θ≦＋θ０にあるとき、平面鏡１０１と隣接する平面鏡にまたがった角部から反射されたレーザビームＬＢ１及びＬＢ２は、非集光部１３Ｂを通り、鋼板２０の表面を照射するが、集光されることはなく、エネルギー密度も高くならない。
【0038】
図６は、ポリゴンミラー１０が、平面鏡１０１の回転角度θ＝０°の位置から隣接する平面鏡１０２の回転角度θ＝０°の位置まで時計回りに回転したときに（図５Ａ～図５Ｅ参照）、鋼板２０の表面上におけるレーザビームのスポットの変化を表している。図６に示す点線は、レーザビームの走査方向を表している。
【0039】
図６に示すように、平面鏡１０１の回転角度θの範囲が０≦θ≦＋θｃにあるとき（図５Ａ及び図５Ｂ参照）、平面鏡１０１から反射されたレーザビームＬＢは、鋼板２０の表面に微小な円形のスポットＳ１で集光される。回転角度θが大きくなるにつれ、スポットＳ１は一方向（図６の左側）に移動する。
【0040】
平面鏡１０１の回転角度θの範囲が＋θｃ＜θ≦＋θ０にあるとき、及び、平面鏡１０２の回転角度θの範囲が－θ０≦θ＜－θｃにあるとき、上述のように、レーザビームＬＢは２つのレーザビームＬＢ１及びＬＢ２に分割される。２つのレーザビームＬＢ１及びＬＢ２は非集光部１３Ｂを介して鋼板２０の表面を照射し、それぞれに対応する２つのスポットＳ２及びＳ３を形成する。レーザビームＬＢ１及びＬＢ２は、鋼板２０の表面に集光されないため、スポットＳ２及びＳ３の各々は、スポットＳ１よりも面積が大きい。
【0041】
平面鏡１０１の回転角度θの範囲が＋θｃ＜θ＜＋θ０にあるときは、平面鏡１０１から反射されたレーザビームＬＢ１の光量が、平面鏡１０２から反射されたレーザビームＬＢ２の光量よりも多いため、スポットＳ２はスポットＳ３よりも面積が大きい。
【0042】
平面鏡１０１が回転角度θ＝＋θ０の位置にあるとき、及び、平面鏡１０２が回転角度θ＝－θ０の位置にあるとき（図５Ｃ参照）は、レーザビームＬＢ１の光量とレーザビームＬＢ２の光量は等しいため、スポットＳ２の面積とスポットＳ３の面積は同一である。
【0043】
平面鏡１０２の回転角度θの範囲が－θ０＜θ＜－θｃにあるとき、平面鏡１０２から反射されたレーザビームＬＢ２の光量が、平面鏡１０１から反射されたレーザビームＬＢ１の光量よりも多いため、スポットＳ３はスポットＳ２よりも面積が大きい。
【0044】
平面鏡１０２の回転角度θの範囲が-θｃ≦θ≦０であるとき（図５Ｄ及び図５Ｅ参照）、平面鏡１０２から反射されたレーザビームＬＢは、鋼板２０の表面に微小な円形のスポットＳ１で集光される。回転角度θが０°に近づくにつれ、スポットＳ１は一方向（図６の左側）に移動する。
【0045】
以上により、本実施形態によれば、レーザビームＬＢがポリゴンミラー１０の隣接する二面にまたがる角部から分割されて反射されたとき、分割されたレーザビームＬＢ１及びＬＢ２が非集光部１３Ｂを通過することで、鋼板２０の表面に集光せず、エネルギー密度を高めないようにすることで、鋼板２０の表面に溝を形成しない。これにより、従来のように、走査方向における溝の端部が浅くなるようなことがなく、均一な溝加工及び溝深さを実現することができ、鉄損特性の優れた製品を生産することができる。また、鋼板２０の周りにある装置等を誤って加工することがない。
【0046】
【0047】
図７に、本実施形態の変形例１としての溝加工装置２００を鋼板２０の圧延方向から見た構成を示す。溝加工装置２００は、図２及び図５Ａ～図５Ｅに示した溝加工装置１００のレンズ１３に代えて、レンズ１７を備える。
【0048】
レンズ１７は、ポリゴンミラー１０から反射されたレーザビームの光路に設けられた光学系であり、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。レンズ１７は、集光部１７Ａと、集光部１７Ａの外側（外周）に一体的に設けられた非集光部１７Ｂとを有する。
【0049】
集光部１７Ａは、レンズ１３の集光部１３Ａと同様、ポリゴンミラー１０の一枚の平面鏡から反射されたレーザビームＬＢの光路に位置し、焦点距離ｆの集光光学系を構成する。
【0050】
非集光部１７Ｂは、ポリゴンミラー１０の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１７Ｂは、周辺部に向かって厚く、ポリゴンミラー１０側の面がポリゴンミラー１０側に向かって凹状の球面、鋼板２０側の面が平面となっている。なお、非集光部１７Ｂの鋼板２０側の面も鋼板２０に向かって凹状の球面としてよい。集光部１７Ａ及び非集光部１７Ｂの境界部分は、わずかに平坦部が存在してもよい。ポリゴンミラー１０の角部から反射されたレーザビームＬＢ１及びＬＢ２は、非集光部１７Ｂを介して発散され、鋼板２０の表面に照射される。
【0051】
これにより、レーザビームＬＢ１及びＬＢ２が非集光部１７Ｂを通過することによって鋼板２０の表面に形成されたスポットは、図６に示すスポットＳ２及びＳ３よりも面積が大きくなる。したがって、図２～図６の実施形態よりも、鋼板２０の表面へのレーザビームＬＢ１及びＬＢ２の照射強度が弱く、鋼板２０の表面に溝が形成されにくくなる。よって、一層均一な溝加工及び溝深さを実現することができる。
【0052】
また、図８に、本実施形態の変形例２としての溝加工装置３００を鋼板２０の圧延方向から見た構成を示す。溝加工装置３００は、図８に示すように、非集光部１３Ｂを通過したレーザビームＬＢ１及びＬＢ２の光路に、マスク等の遮蔽板１９を備えている（遮蔽ステップ）。これにより、レーザビームＬＢ１及びＬＢ２が遮蔽板１９により遮られている。非集光部１３Ｂを通過したレーザビームＬＢ１及びＬＢ２は、図１Ｂの集光レンズ１２を通過したレーザビームＬＢ１及びＬＢ２よりも照射強度が弱い。よって、非集光部１３Ｂを通過したレーザビームＬＢ１及びＬＢ２を遮蔽板１９に照射したとしても、遮蔽板１９の損傷は少ない。
【0053】
【0054】
なお、本実施形態における記述内容は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、溝加工装置を構成する光学系として、レンズの代わりにミラーを採用してもよい。
例えば、溝加工装置を構成する光学系として、レンズの代わりにミラーを採用してもよい。
【産業上の利用可能性】
【0055】
本発明によれば、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。
【符号の説明】
【0056】
１０ ポリゴンミラー
１１ 光源装置
１１Ａ コリメータ
１３、１７ レンズ
１３Ａ、１７Ａ 集光部
１３Ｂ、１７Ｂ 非集光部
１５ 光ファイバケーブル
１９ 遮蔽板
２０ 鋼板
１００、２００、３００ 溝加工装置
１０１、１０２ 平面鏡
Ｃ１ 外接円
ＬＢ レーザビーム
Ｏ１ 回転軸
ＰＬ 垂線
１１ 光源装置
１１Ａ コリメータ
１３、１７ レンズ
１３Ａ、１７Ａ 集光部
１３Ｂ、１７Ｂ 非集光部
１５ 光ファイバケーブル
１９ 遮蔽板
２０ 鋼板
１００、２００、３００ 溝加工装置
１０１、１０２ 平面鏡
Ｃ１ 外接円
ＬＢ レーザビーム
Ｏ１ 回転軸
ＰＬ 垂線
【図1A】
【図1B】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5A】
【図5B】
【図5C】
【図5D】
【図5E】
【図6】
【図7】
【図8】