JP2009128200A

JP2009128200A - パワープローブ

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Publication number: JP2009128200A
Application number: JP2007303905A
Authority: JP
Inventors: Masao Izumo; 正雄出雲; Masahiko Hasegawa; 正彦長谷川; Takashi Akiyama; 喬秋山
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2007-11-26
Filing date: 2007-11-26
Publication date: 2009-06-11
Anticipated expiration: 2027-11-26
Also published as: JP5166005B2

Abstract

【課題】高いレーザ耐力を有するパワープローブを提供する。
【解決手段】Ａｌの溶融点より高い溶融点を有し、かつ、Ａｌの熱伝導率の０．５倍以上３倍以下の熱伝導率を有する材質にて成る基材部２と、基材部２の表面に溶射処理にて形成されたアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）にて成るレーザ光吸収体部１と、レーザ光吸収体部１に吸収され基材部２に伝導された熱エネルギーを測温する測温体５と、測温体５により計測された熱エネルギーの大きさを表示する表示部４とを備えたものである。
【選択図】図１

Description

この発明は、レーザ光の出力を検出するパワープローブに関し、特に、高いレーザ耐力を有するものである。

レーザ発振器の制御において出力パワーを検出することは最も重要な作業である。この出力パワーの検出方法としては、光−電気変換を用いる方法、光−熱変換を用いる方法、熱エネルギーを検出する方法などがある。一方の光から検出する方法においてはフォトンを捕らえ、それを電気や熱に変換するため、増幅が比較的容易で、感度が高い。その反面、あまり大きなエネルギーの測定には向いていないという特徴がある。そして他方の熱エネルギーを検出する方法は、レーザ光を熱として検出するため、感度が低い上に放熱、吸熱のバランスにより測定値が変化し、高精度の測定が困難である。その反面、簡易で、比較的大きなエネルギーを有するレーザ光の測定に適している。従来、比較的大きなエネルギーを出力する炭酸ガスレーザ用の出力測定器としては、例えば、受光部の表面に測定対象と成るレーザビームの波長光に対して高吸収率のコーディングが施され、受光部の温度上昇はバイメタル式の温度計で測定されている（例えば、非特許文献１参照）。

レーザ加工機のビーム計測と光学部品の評価技術−レーザ加工の標準化に向けて−平成３年３月レーザ熱加工研究会ワーキンググループ

従来、レーザ光吸収部の詳細な構成は記載されていないが、本発明者らの分析調査によると、Ａｌにて構成される基材部の表面にレーザ光吸収体部としてアルマイト部が皮膜されて構成されていることが判明している。このパワープローブはカロリーメーターの一種であり、アルマイト部にてレーザ光を吸収し、吸収した熱を基材部全体に分散させ、その温度上昇値をバイメタル温度計にて測定してパワーとして表示させている。しかしながら、アルマイト部に強いレーザ光が照射され、アルマイト部が６００〜７００℃まで加熱されると、照射部のアルマイト部直下の基材部の表面が溶融し、レーザ損傷を生じる。このように、基材部の溶融温度が低いため、従来のパワープローブはレーザ耐力が低いという問題点を有していた。

この発明は上記のような課題を解決するために成されたものであり、高いレーザ耐力を有するパワープローブを提供することを目的とする。

この発明は、Ａｌの溶融点より高い溶融点を有し、かつ、Ａｌの熱伝導率の０．５倍以上３倍以下の熱伝導率を有する材質にて成る基材部と、基材部の表面に形成されたレーザ光吸収体部と、レーザ光吸収体部に吸収され基材部に伝導された熱エネルギーを測温する測温体と、測温体により計測された熱エネルギーの大きさを表示する表示部とを備えたものである。

また、この発明は、Ａｌにて成る基材部と、基材部の上に配置されたＡｌの溶融点より高い溶融点を有し、かつ、Ａｌの熱伝導率の０．５倍以上３倍以下の熱伝導率を有する材質にて成る熱伝導部と、熱伝導部の基材部が配設されている面と異なる面上に形成されたレーザ光吸収体部と、レーザ光吸収体部に吸収され熱伝導部を介して基材部に伝導された熱エネルギーを測温する測温体と、測温体により計測された熱エネルギーの大きさを表示する表示部とを備えたものである。

この発明のパワープローブは、Ａｌの溶融点より高い溶融点を有し、かつ、Ａｌの熱伝導率の０．５倍以上３倍以下の熱伝導率を有する材質にて成る基材部と、基材部の表面に形成されたレーザ光吸収体部と、レーザ光吸収体部に吸収され基材部に伝導された熱エネルギーを測温する測温体と、測温体により計測された熱エネルギーの大きさを表示する表示部とを備えたので、高いレーザ耐力を有する。

また、この発明のパワープローブは、Ａｌにて成る基材部と、基材部の上に配置されたＡｌの溶融点より高い溶融点を有し、かつ、Ａｌの熱伝導率の０．５倍以上３倍以下の熱伝導率を有する材質にて成る熱伝導部と、熱伝導部の基材部が配設されている面と異なる面上に形成されたレーザ光吸収体部と、レーザ光吸収体部に吸収され熱伝導部を介して基材部に伝導された熱エネルギーを測温する測温体と、測温体により計測された熱エネルギーの大きさを表示する表示部とを備えたので、高いレーザ耐力を有するとともに軽量化を図ることができる。

実施の形態１．
以下、本願発明の実施の形態について説明する。図１はこの発明の実施の形態１におけるレーザ用のパワープローブの構成を示す断面図、図２は従来のパワープローブの問題点を説明するための図である。図において、Ａｌの溶融点より高い溶融点を有し、かつ、Ａｌの熱伝導率の０．５倍以上３倍以下の熱伝導率を有する材質の例えばＣｕにて構成される基材部２と、基材部２上に形成されたレーザ光吸収体部１と、後述する測温体により計測された熱エネルギーの大きさを表示する表示部４と、基材部２と表示部４とを接続するための中空にて成るロッド部３と、表示部４から基材部２のほぼ中央部に配置されロッド部３内を挿通して配設された測温体５とにて構成されている。

次に各部の詳細な構成について説明する。まず基材部２は、Ｃｕにて成る例を示しているが、Ａｌの溶融点より高い溶融点を有し、かつ、Ａｌの熱伝導率の０．５倍以上３倍以下の熱伝導率を有する材質であればいずれの材質で良い。これは、レーザ光の照射に耐えうる温度がＡｌでは十分に得ることができないため、Ａｌの溶融点より高い溶融点を有する必要性がある。また、溶融点がいくら高くとも熱伝導率が低すぎれば、レーザ光吸収体部１からの熱が伝導されずに側温体５にて温度を精度良く測定することが困難と成る。このため、Ａｌの熱伝導率の０．５倍以上程度の熱伝導率を有する必要性がある。また、溶融点がいくら高くとも熱伝導率が高すぎれば、基材部２にからさらに外部に熱が伝導してしまい、側温体５にて温度を精度良く測定することが困難と成る。このため、Ａｌの熱伝導率の３倍以下程度の熱伝導率を有する必要性がある。具体的には、純アルミ（ＪＩＳ１０００系：溶融温度６４６〜６５７℃、熱伝導率０．５６ｃａｌ／℃・ｃｍ・ｓｅｃ）を用いた場合には０．２８〜１．６８ｃａｌ／℃・ｃｍ・ｓｅｃの熱伝導率を有する必要があり、一般的に最もよく用いられるＡｌ−Ｍｇ系合金（ＪＩＳ５０５２：溶融温度６０７〜６４９℃、熱伝導率０．３３ｃａｌ／℃・ｃｍ・ｓｅｃ）の場合、０．１７〜０．９９ｃａｌ／℃・ｃｍ・ｓｅｃの熱伝導率を有する必要がある。その他、ＪＩＳ２０００系、３０００系、４０００系、５０００系、６０００系、７０００系アルミを用いた場合にも各々のアルミの熱伝導率の０．５倍以上３倍以下の熱伝導率を有する必要があることは言うまでもない。

また、測温体５は、例えば、バイメタル、熱電対、測温抵抗体、サーミスタ等を利用することが考えられる。また、レーザ光吸収体部１は、照射されるレーザ光を吸収することができる材質で良いことは言うまでもなく、照射されるレーザ光に合わせ種々の材質が使用される。ここでは照射されるレーザ光を波長１０．６μｍの炭酸ガスレーザを用いる場合について説明する。この炭酸ガスレーザの場合、吸収率の高さから、レーザ光吸収体部１としてはアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）が適当であると考えられる。これは、アルミナは炭酸ガスレーザの吸収率が高く、高精度な測定を行うことができると考えられるためである。アルミナは基材部２がＣｕにて構成されているため、例えば、溶射処理にて作成することが可能である。尚、溶射処理は種々の溶射方法を利用することが可能である。

そして、溶射処理にて作成されるアルミナの膜厚はその製造方法の特性から均一の膜厚にて形成することは困難である。そして、溶射処理にて形成される膜厚はほぼ１０μｍ以上の膜厚にて形成され、平均的に多く分布する膜厚としては１００μｍ以上である。また、溶射方法にて形成される最大膜厚としては〜数百μｍ程度である。本実施の形態１においては、レーザ光吸収体部１の厚みが厚く、熱滞留があまりにも多くなると、基材部２に伝導される熱が減少し、精度良く熱エネルギーを測定することができなくなる。よって、レーザ光吸収体部１の膜厚分布は、製造上の観点および熱滞留の観点から１０μｍ〜２００μｍの厚みが適当であると考えられる。そして、表示部４は、具体的には信号伝達部と、温度→パワーへの変換を行う演算部と、パワー値を表示手段と等にて構成され、測温体により計測された熱エネルギーの大きさを表示するものである。

次に、上記のように構成された実施の形態１のパワープローブにおけるレーザ光のパワーの測定方法について説明する。まず、炭酸ガスレーザ光（図示しない）がレーザ光吸収部１に照射されると、ほぼ１００％の炭酸ガスレーザ光が熱としてレーザ光吸収部１に吸収される。そして、レーザ光吸収体部１に吸収された炭酸ガスレーザ光は熱エネルギーとして下地の基材部２に吸収分散して伝導し、下地の基材部２を昇温させる。この時の温度変化が測温体５により表示部４に伝わり、レーザ出力（パワー）として表示される。このようにレーザ光の測定を行っても、基材部２がＣｕにて構成されているため、基材部２は１０００〜１１００℃程度まで溶融を生じない。一方、レーザ光吸収体部１を構成するアルミナは融点が２０００℃程度であるため、被照射部が１０００℃程度まではレーザ損傷が生じることがない。

ここで、図２に基づいて従来のレーザ用のパワープローブがレーザ光の照射により損傷を生ずる点について説明する。まず、レーザ光７がレーザ光吸収体部１２に照射される（図２（ａ））と、アルマイトにて構成されるレーザ光吸収体部１２が昇温（〜数百℃）を開始する（図２（ｂ））。さらに、レーザ光７を照射し続けると、昇温部８はレーザ光吸収体部１２からＡｌにて構成される基材部６０へと熱拡散１０により広がると共に、レーザ光吸収体部１２の被照射部が６００℃以上に昇温し、高温部９が発生する（図２（ｃ））。さらにレーザ光７を照射し続けると、６００℃以上の高温部９が基材部６０側に広がる（図２（ｄ））。そして、基材部６０の溶融点は６００〜６６０℃程度であるため、基材部６０は溶融を生じる。一方、レーザ光吸収体部１２を構成するアルミナの融点が２０００℃程度であるため、被照射部が６００℃程度であればレーザ損傷は生じない。しかしながら、溶融を生じた基材部６０の直上部のレーザ光吸収体部１２は基材部６０との熱応力などの関係からクラックが発生しレーザ光吸収体部１２に剥離部１１が発生する可能性が生じる（図２（ｅ））。

上記のように構成された実施の形態１のレーザ用のパワープローブは、基材部をＡｌからＣｕに変更したため、基材部は１０００〜１１００℃程度まで溶融を生じない。一方、レーザ光吸収体部を構成するアルミナは融点が２０００℃程度であるため、被照射部が１０００℃程度まではレーザ損傷は生じない。また、Ｃｕの熱伝導率はＡｌの熱伝導率のほぼ倍であるため、Ｃｕにて構成される基材部はＡｌにて構成される基材部に比して基本的に昇温しにくいという利点も有する。発明者らの研究によれば、Ａｌにて構成される基材部をＣｕにて構成される基材部とすることで、レーザ用のパワープローブのレーザ損傷閾値は約２．５ＫＷから５．０ＫＷに向上することが確認できた。この時使用したパワープローブの基材部の大きさは直径９０ｍｍ、高さ：５０ｍｍの円筒形にて形成するものにて行った。そして、レーザ光はビーム径を約１０ｍｍとし、２０秒照射して行った。これらのことより、レーザ耐力に優れたレーザ用のパワープローブを得ることが容易に実現できる。

実施の形態２．
図３はこの発明の実施の形態２におけるレーザ用のパワープローブの構成を示す断面図である。図において、上記実施の形態１と同様の部分は同一符号を付して説明を省略する。Ａｌにて構成される基材部６と、この基材部６上に配設されＡｌの溶融点より高い溶融点を有し、かつ、Ａｌの熱伝導率の０．５倍以上３倍以下の熱伝導率を有する材質の例えばＣｕにて構成される薄い熱伝導部２０と、その上にレーザ光吸収体部１が設けられたものである。次に、実施の形態１と異なり本実施の形態２においては基材部６をＡｌにて構成し、Ｃｕにて構成される熱伝導部２０を形成した。このことについて、以下、表１に、ＣｕとＡｌとの比熱と比重とは示し、それに基づいて説明する。

上記表１からも明らかなように、Ａｌと同等の熱容量を有するＣｕは重量比でＡｌの約２．３６倍、容積比でＡｌの約０．７２倍と成る。例えば、レーザ光のパワーが１０ＫＷタイプのパワープローブの重量は、Ａｌにて基材部６０を形成した場合は、約１Ｋｇと成る。これに対し、上記実施の形態１のように構成すると基材部２の重量は約２．３Ｋｇと成る。この差は、作業者がパワープローブを持ってレーザ光の測定を行う場合、その作業性において大変不都合を生じる。よって、本実施の形態２においては、比重の小さなＡｌの基材部６上に、Ｃｕにて構成される熱伝導部２０を形成することにより、重量の増加を抑制し、パワープローブの軽量化を図ることができる。本実施の形態２においては熱伝導部２０としては例えば厚み５ｍｍの板状のＣｕを用い、その上に溶射にて約１００μｍのアルミナを形成した。但し、Ｃｕの厚みはほぼ１ｍｍ以上であれば特に制限はないが、あまり薄いと溶射にてレーザ光吸収体部１（アルミナ）を形成する際にそりを生じ、好ましくない。よって、基板の平坦性、軽量化の観点からは厚みは２ｍｍ〜５ｍｍ程度が好ましいと考える。

上記のように構成された実施の形態２のレーザ用のパワープローブは、基材部がＡｌにて構成されているため軽量化を図ることができるとともに、その上部に、Ａｌの溶融点より高い溶融点を有し、かつ、Ａｌの熱伝導率の０．５倍以上３倍以下の熱伝導率を有する材質にて構成される熱伝導部を配設しているため、上記実施の形態１と同様に、レーザ耐力に優れたレーザ用のパワープローブを得ることが容易に実現できる。

実施の形態３．
図４はこの発明の実施の形態３におけるレーザ用のパワープローブの構成を示す断面図である。図において、上記各実施の形態と同様の部分は同一符号を付して説明を省略する。本実施の形態３においては、基材部６に表示部４がロッド部を介することなく直接設置されるものである。測温体にバイメタル温度計を用いるような場合には所定の長さが必要と成るため、上記各実施の形態に示したように、中空のロッド部３内を介して測温体５を表示部４と接続する必要があった。しかしながらこのような構成では、パワープローブの全長が長くなり不都合が生じる場合があった。本実施の形態３においては、測温体１３を熱電対にて構成することにより、特にロッド部を必要とせず、基材部６に内包させることが可能と成る。そのため、表示部４を基材部６と直結することが可能と成り、コンパクトなレーザ用のパワープローブを得ることができる。尚、基材部６はレーザ照射により昇温するので、実際には基材部６と表示部４との間にはセラミック等にて熱的に遮断する熱遮断部を配設することが好ましい。また、測温体としては熱電対に限らず、前述した測温抵抗体やサーミスタなどを用いることができることは言うまでもない。さらに、本実施の形態３においては、実施の形態２の構成に基づき説明したが、実施の形態１のように基材部をＣｕと構成する例に用いても良いことは言うまでもない。

尚、上記各実施の形態においてはレーザ光として炭酸ガスレーザ光を例に示したが、これに限られることはなく、例えばＹＡＧレーザ光やその他のレーザ光についても同様に用いることが可能であり、同様の効果を奏することは言うまでもない。
また、レーザ光吸収体部を溶射アルミナにて構成する例を示したが、これに限られることはなく、レーザ光吸収体部は照射されるレーザ光を吸収可能な部材を選定すれば良く、炭酸ガスレーザ光であれば、この他、例えば、ムライト（３Ａｌ_２Ｏ_３・２ＳｉＯ_２）やステアタイト（ＭｇＯ・ＳｉＯ_２）などを溶射にて形成することが可能であり、同様の効果を奏することが可能である。

さらに、上記各実施の形態においては、Ａｌの溶融点より高い溶融点を有し、かつ、Ａｌの熱伝導率の０．５倍以上３倍以下の熱伝導率を有する材質として、Ｃｕを用いる例を示したが、これに限られることはなく、例えば、黄銅、金などを用いることも可能であり、同様の効果を奏することが可能である。
また、基材部の片面のみにレーザ光吸収体部を設ける例を示したが、これに限られることはなく、例えば基材部の両面あるいは全面にレーザ光吸収体部を形成しても良いことは言うまでもなく、同様の効果を奏することが可能である。また、複数の面にレーザ光吸収体部を形成することにより、複数の面にてレーザ光を測定することが可能と成り、１の面のレーザ光吸収体部が劣化しても他の面のレーザ光吸収体部にてレーザ光を照射することにより測定することが可能と成る。

この発明の実施の形態１のレーザ用のパワープローブの構成を示す断面図である。従来のレーザ用のパワープローブのレーザ損傷を説明するための断面図である。この発明の実施の形態２のレーザ用のパワープローブの構成を示す断面図である。この発明の実施の形態３のレーザ用のパワープローブの構成を示す断面図である。

符号の説明

１レーザ光吸収体部、２，６基材部、４表示部、５，１３測温体。

Claims

Ａｌの溶融点より高い溶融点を有し、かつ、Ａｌの熱伝導率の０．５倍以上３倍以下の熱伝導率を有する材質にて成る基材部と、上記基材部の表面に形成されたレーザ光吸収体部と、上記レーザ光吸収体部に吸収され上記基材部に伝導された熱エネルギーを測温する測温体と、上記測温体により計測された上記熱エネルギーの大きさを表示する表示部とを備えたことを特徴とするパワープローブ。
Ａｌにて成る基材部と、上記基材部の上に配置されたＡｌの溶融点より高い溶融点を有し、かつ、Ａｌの熱伝導率の０．５倍以上３倍以下の熱伝導率を有する材質にて成る熱伝導部と、上記熱伝導部の上記基材部が配設されている面と異なる面上に形成されたレーザ光吸収体部と、上記レーザ光吸収体部に吸収され上記熱伝導部を介して上記基材部に伝導された熱エネルギーを測温する測温体と、上記測温体により計測された上記熱エネルギーの大きさを表示する表示部とを備えたことを特徴とするパワープローブ。
上記レーザ光吸収体部は、溶射アルミナを主成分として構成されることを特徴とする請求項１または２に記載のパワープローブ。
上記レーザ光吸収体部の厚みは、１０μｍないし２００μｍにて構成されることを特徴とする請求項３に記載のパワープローブ。