JP4400156B2 - レーザ用出力モニタ - Google Patents

Description

本発明は、レーザ光のパワーを測定するレーザ光パワーモニタに関するものである。

近年、医療分野においてもレーザ装置の適用や普及が進んでおり、その用途やレーザ光源の種類も多岐にわたっている。その代表例が、いわゆるレーザメスであるが、これは治療器具の中では比較的高価な装置であり、その普及のためにはいっそうの低価格化が望まれている。

このレーザメスの必須構成要素の一つに、レーザパワーメータがある。これは、レーザ光源より照射されるレーザ光出力をモニタするものである。従って、レーザメスの出力を安定させ、安全かつ有効に使用するためには欠かすことのできない構成部品である。また、このレーザ光パワー測定は、レーザメスの起動時の自己診断時のほか、レーザ光パワーの変更を行なう毎にごく短時間のレーザ照射を行うことで実施される。そのため、速い応答性と繰返し照射に対する出力安定性が求められる。

また、レーザパワーメータは、２つの種類に大別される。１つは、フォトダイオード等の光エネルギを直接電荷に変換するセンサを用いて光強度を測定するフォトセンサ型の光パワーメータである。また、もう１つは、レーザ光のエネルギを一旦熱に変換し、熱に関する物理量を計測することでレーザ光パワーを測定する熱変換型のレーザパワーメータである。前者のフォトセンサ型に使用するフォトセンサとしては、可視光から近赤外光の波長域において良好な感度を持つものが安価に開発されている。しかし、これらは最大入力パワーが数ｍW程度であり、数W〜数十Wの出力があるレーザメスの光パワーを測定するためには減光光学系が必要となる。また、レーザメスの代表格である炭酸ガスレーザメスなど、赤外域のレーザ光に対しては、測定に良好なフォトセンサが存在しないため、レーザメスには後者の熱変換型のレーザパワーメータが使用されることが多い。

この熱変換型のレーザパワーメータは、測定レンジにより様々なレーザ受光部が用意されている。これは、入射されるレーザ光を一旦熱に変換するため、その熱変換部の耐熱性や、その熱の排熱機構により分類される。一般に、炭酸ガスレーザメスでは１０Ｗ前後のパワーを備えた物が多い。そして、このレーザ出力に対応したレーザパワーメータとして、例えば日本高周波株式会社製のサーモパイル型センサを用いたレーザパワーセンサがある。また、サーモパイルの代りに非接触温度計を使用したレーザパワーセンサが知られている（例えば特許文献１参照）。

次に、図４と図５を用いて従来のレーザパワーセンサについて説明する。図４にサーモパイル型のレーザパワーセンサの例として日本高周波製のレーザパワーセンサの構成を示し、図５にその構成部品の一つである受光板部の詳細を示す。

図４において、１１は測定対象であるレーザ光ビーム、１２はレーザ光ビーム１１を受光する受光板、１３は受光版１２の熱を外部に放熱するヒートシンク、１４は受光板１２を押さえて固定する受光板押さえである。また、図５において、２１は受光板基材、２２はレーザ光吸収材、２３は絶縁層、２４はサーモパイルであり、このサーモパイル２４は、本例ではビスマス／アンチモンの組み合わせで星形に配列された２０対の熱電対から成っている。そして、このサーモパイル２４の両端に銅電極２６が形成されており、ここにリード線２７が半田付けされている。そして、これらは透明保護膜２５で覆われている。

以上のように構成されたレーザパワーセンサについて、その動作を説明する。

サーモパイル２４の各熱電対は、サーモパイル２４を構成する熱電対のうち内側に並ぶ接点（温接点２８）と外側に並ぶ接点（冷接点２９）の温度差に対応した電圧を生じる。本例では２０対の熱電対が直列に配線されているため、これら温接点２８と冷接点２９の温度差による熱電対出力２０個分が累積されてリード線２７から取り出されることになる。また、このサーモパイル２４は星形に配置されている。この様に形成されたサーモパイルは、以下の特長を備えている。第１に、温接点２８と冷接点２９の温度差は入力されるレーザパワーにほぼ比例し、また、環境温度の影響を受けにくいためレーザ出力との対応がとりやすい。第２に、温接点２８と冷接点２９の温度差は熱流量により決まるため、受光板１２全体の温度分布が安定するよりも早くに一定に落ち着く。従って、パワーセンサとしての応答が速くなる。第３に、星形に配列されているため、レーザ光ビーム１１が受光板１２の中心に照射されていなくても、温接点２８の円内であれば、ビーム位置によらず安定した出力を得ることが出来る。

このように、サーモパイル方式のレーザパワーセンサは、応答速度や再現性など優れたセンサである。

次に、温度センサーとしてサーモパイルの代わりに非接触温度計を使用した特許文献１に記載された簡易パワーメータのブロック図を図６に示す。図６において、３２は熱素材、３４は温度センサー、３６は微分器、３８は表示メーター、４０は保持タイマー、４２はビーパ（ブザー）、４４は加熱保持回路、４６は冷却保持回路、４８はリセットボタンである。

以上のように構成された簡易パワーメータについて、その動作を説明する。

レーザ光は熱素材３２に照射され、その温度上昇を温度センサー３４が測定し、その出力を微分器３６が微分した上で、表示メーター３８に表示される。すなわち、レーザ光照射による熱素材３２の昇温速度からレーザ光パワーを換算するものである。なお、動作説明を省いた保持回路４０、ビーパ（ブザー）４２、加熱保持回路４４、冷却保持回路４６、リセットボタン４８は、より測定精度や再現性を高めたり操作性を向上させるために設けられた物であり、その詳細は特許文献１を参照されたい。
特開平７−１９９５７号公報

しかし、これら従来のレーザパワーセンサでは、いくつかの課題を有している。まず第１例目のサーモパイル型レーザパワーセンサにおいては、サーモパイル部分の製造が易しくなく工数もかかるため高価であるということがある。これは、金属である受光板と熱電対を絶縁するために両者の間に絶縁層が必要となること、また、熱電対を絶縁層上に正確な形状で密着性よく形成するために、蒸着で熱電対電極を形成する必要があることによるものである。

次に、第２例目であり、特許文献１にも示すような簡易パワーセンサの有する課題について説明する。簡易パワーセンサにおいては、熱素材の温度上昇速度により照射レーザパワーを換算して表示するが、この温度上昇速度は、熱素材の温度、レーザ光の照射時間、レーザ照射後から次の測定までの間の熱素材の冷却具合など、様々な要因に大きく左右され、再現性が良くない。そのため、前述した多くの追加構成が必要となること、さらに入
力できるレーザパワーが比較的低く限定されること、測定のためのレーザ照射時間が短時間に限定されること、測定インターバルがある程度必要であることから、すぐに繰返し測定をすることができないなど、使用上の利便性に劣る点があった。

本発明は、安価な非接触温度センサを用いることで、構成部品の低価格化と信頼性向上を実現し、なおかつ、レーザメスに組込むレーザパワーメータとして必要な特性を備えて使いやすいレーザパワーモニタを提供することを目的とする。

本発明のレーザ用出力モニタは、入射したレーザ光のエネルギを熱に変換する受光部と、前記受光部と接しており前記受光部で変換された熱を外部へ排熱する放熱部と、前記受光部の温度を計測する温度検出部とからなるレーザ用出力モニタにおいて、前記温度検出部は、前記受光部のうち前記放熱部と接触していない部分の受光部径の範囲内で前記レーザ光のビーム径よりも広い範囲を測定範囲とし、非接触で温度計測が可能であり、さらに、前記受光部と前記放熱部の接触を確実にするための受光部押さえを備えたものである。

また、本発明のレーザ用出力モニタは、温度検出部を放射温度計としたものである。

また、本発明のレーザ用出力モニタは、温度検出部は２次元温度分布を測定できる放射温度計アレイからなるものである。

また、本発明のレーザ用出力モニタは、受光部と温度検出部との間の空間を、前記受光部の温度を変動させる気流を防ぐ簡易気密構造としたものである。

また、本発明のレーザ用出力モニタは、受光部と温度検出部との間に前記受光部を固定するための受光部押さえが設けられており、前記受光部押さえが簡易気密構造を構成するものである。

また、本発明のレーザ用出力モニタは、受光部と温度検出部との間に前記受光部で変換された熱を放熱する放熱部を備え、前記放熱部が簡易気密構造を構成するものである。

また、本発明のレーザ用出力モニタは、温度検出部を実装する基板を備え、前記基板が簡易気密構造を構成するものである。

また、本発明のレーザ用出力モニタは、受光部と温度検出部との間の熱抵抗を小さくするための伝熱経路を備えたものである。

また、本発明のレーザ用出力モニタは、温度検出部と放熱部との接触面積を広く取ることで伝熱経路を確保するものである。

また、本発明のレーザ用出力モニタは、温度検出部と受光部押さえの接触面積を広く取ることで伝熱経路を確保するものである。

また、本発明のレーザ用出力モニタは、基板の温度検出部を実装している面の大部分に銅箔パターンを設けることで前記伝熱経路を確保するものである。

また、本発明のレーザ用出力モニタは、銅箔パターンに平坦にハンダ処理を行なったものである。

以上のように、本発明は、入射したレーザ光のエネルギを熱に変換する受光部と、受光
部と接しており受光部で変換された熱を外部へ排熱する放熱部と、受光部の温度を計測する温度検出部とからなるレーザ用出力モニタにおいて、温度検出部は、受光部のうち放熱部と接触していない部分の前記レーザ光のビーム径よりも広い範囲を測定範囲とし、非接触で温度計測が可能としたことにより、応答性が速く繰返し照射に対しても再現性よく応答するレーザ光出力モニタを安価に実現することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図１から図３を用いて説明する。

図１および図２において、１はレーザ光ビーム、２はレーザ光ビーム１を受光して熱に変換するアルミニウム等からなる受光板、３は受光板２の熱を放熱するためのアルミニウム等からなるヒートシンク、４は受光板２を固定するための受光板おさえ、５は受光板２の温度を非接触で測定する非接触放射温度センサであり赤外線センサや放射温度計等を用いる。また、６は非接触放射温度センサ５が設けられている信号処理基板である。そして、レーザ光ビーム１のビーム径をビーム径Ｄ０、受光部２のうちヒートシンク３により押さえられていない部分を受光部径Ｄ２、非接触放射温度センサ５で測温する径を測温径Ｄ１とする。

以上のように構成されたレーザ用出力モニタについて、その動作を説明する。

レーザ装置（図示せず）から照射されたレーザ光ビーム１は、受光板２でそのエネルギが熱に変換され、この熱により受光板２の温度が上昇するとともに、この熱の殆どはヒートシンク３へ伝達されて外部に排熱される。

なお、このヒートシンク３は、本レーザパワーモニタの使用時間内において熱による受光板２の温度上昇が小さくなるような熱容量を後述する材料等で確保している。また、受光板２とヒートシンク３とは、この間の熱の授受が効率よく行なわれるよう、両者の接触面積を十分に確保し、さらに、その接触を確実にするため、受光板押さえ４から受光板２を貫通してヒートシンク３までをねじ（図示せず）で共締めしている。そして、この受光板２のレーザ光ビーム１が照射される面と反対側の面を非接触放射温度センサ５により測温する。

なお、本実施の形態では、受光部２のうちヒートシンク３と接しない部分の範囲でのレーザ光ビーム１のビーム径より非接触放射温度センサ５の測定範囲が広くなるよう５０％感度視野角が半角４５度であるもの、具体的には、サーモパイル型赤外線センサ１５ＴＰ５５１（石塚電子製）を使用した。この素子の受光位置から受光板２までの距離が６．１５ｍｍであるので、受光面２の測温径Ｄ１＝１２．３ｍｍとなる。本実施の形態では、ビーム径Ｄ０=６ｍｍ、受光部径Ｄ２＝１７ｍｍであり、Ｄ０＜Ｄ１＜Ｄ２となっている。また、受光部径Ｄ２に対する測温部径Ｄ１の面積比率は５２％となっている。従って、本例では、非接触放射温度センサ５が測定しているのは、レーザ光ビーム１が照射された１点（最高温度点）の狭い範囲の温度ではなく、受光板２の比較的広範囲な部分の平均的な温度である。このように、比較的広範囲な部分の平均的な温度を測定することで、受光部２に対するレーザ光ビーム１の照射位置ずれに強く、測定の再現性も良くなる。

なお、５０％感度視野角が半角４５度の素子は一例であり、ビーム径より非接触放射温度センサ５の測定範囲が広くなる素子を用いればよい。

次に、上記したレーザ用出力モニタにおいて、測定に関する各部の形状や特性が及ぼす影響について説明する。

まず、非接触放射温度センサ５と受光板２との距離（以下、センサ距離とする）について説明する。このセンサ距離が短くなるほど温度測定範囲は小さくなるため、レーザ光ビーム１の照射位置のずれに対する測定結果の変化が大きくなる。従って、ある程度のセンサ距離が必要となる。

次に、受光板２の材質と形状（厚さと直径）について説明する。受光板２の半径方向の熱伝導率が良いほど、受光板２の温度変化に対する応答性が早くなる。すなわち、受光部２の温度が安定するまでの時間が早くなる。従って、材質は、一般のアルミニウム加工品に使用されるＡ５０５２等の５０００番台のアルミニウムより、Ａ１０５０等の１０００番台のアルミニウム（いわゆる純アルミ）の方が適しており、また、直径は小さいほど良くなる。但し、受光板２の受光部径Ｄ２は、レーザ光ビーム１のビーム径Ｄ０や非接触放射温度センサ５の測温径Ｄ１よりも大きくなければならない。すなわち、ビーム径Ｄ０より測温径Ｄ１を大きくすることで、ビーム径Ｄ０の範囲のような極所的な範囲を測定する場合と比べて、レーザ光ビーム１の照射位置ずれに強く、測定の再現性もよくなる。また、測温径Ｄ１より受光部径Ｄ２を大きくすることで、非接触放射温度センサ５の応答性を下げずに測定感度を上げることができる。

さらに、ヒートシンク３の熱容量および排熱能力も、入力されるレーザ光ビーム１のパワーに応じた大きさが必要となる。これが不足するとレーザ光ビーム１の照射中にヒートシンク３の温度が上昇し続け、受光板２の温度も上昇し続けるので、出力値が安定しない。

以上の要因を勘案し、入力レーザ光が１５Ｗ（ＣＷ）のＣＯ２レーザ光（ビーム径φ６ｍｍ）を使用し、放射温度計として石塚電子製サーモパイル型赤外線センサ１５ＴＰ５５１を使用し、センサ距離を１〜６．５ｍｍ、受光部径をφ１５〜２４ｍｍ、受光板材質および厚みをＡ１０５０／Ａ５０５２、ｔ＝０．２／０．３ｍｍ、ヒートシンク体積を１５０〜３５０ｃｍ^３（Ａ５０２０）に対して直交実験により条件評価を行なった。その結果、センサ距離が６ｍｍ、受光部径がφ１５ｍｍ、受光板材質がＡ１０５０（純アルミ）、ヒートシンク体積が２４０ｃｍ^３以上で、下記特性を実現した。

応答速度は約１秒、最低感度は０．５Ｗ以下、最大入力は１５Ｗ（以上）、再現性は−１０〜４０℃において出力変動５％以内である。なお、感度については、単純な増幅回路を設けることで、０．２ｍＶ／Ｗを得ており、背景技術に示した日本高周波製のレーザパワーモニタと同等の感度を実現した。

また、本実施の形態のレーザ用出力モニタは、出力安定性を向上させるため下記２点の特徴も備えている。

まず第１に、受光板２の測温面から非接触放射温度センサ５の空間を簡易密閉構造とし、ここに著しい気流が生じることを防いでいる。これは、気流により受光板２の温度が変動することを防ぐためである。この簡易密閉構造について図１を用いて具体的に説明すると、受光板２と、受光板押さえ４と、非接触放射温度センサ５と、信号処理基板６とにより簡易密閉構造を構成している。

第２に、非接触放射温度センサ５とヒートシンク３との間の熱抵抗を減らすために、特に熱流路を確保している点である。本実施の形態では、信号処理基板６の非接触放射温度センサ５を実装している面の大部分に銅箔パターンを設け、さらにこの面に半田を平坦に乗せる事で、この熱流路を確保している。これは、非接触放射温度センサ５とヒートシンク３の温度差を小さくすることで、レーザ光入力による受光板２の温度上昇幅をより正確に測定できるからである。なお、本実施の形態では、この熱流路として信号処理基板６上
の金属パターンを用いたが、図２や図３に示すように、非接触放射温度センサ５を受光板押さえ４あるいはヒートシンク３に圧入させ直接接触するようにすることで、非接触放射温度センサ５と受光板押さえ４あるいはヒートシンク３の接触面積を大きくして熱流路を確保するようにしてもよい。

さらに、本実施の形態では、受光板２の受光部を１つの非接触放射温度センサ５である放射温度計で測定するようにしたが、複数の放射温度計で測定する、または１素子に実装された放射温度計アレイにより受光部を測定するようにしてもよく、その積算値を求めることで受光部２の温度を得ることができる。また、このように、複数の放射温度計あるいは放射温度計アレイを用いる場合には、個々の温度計の出力値を比較することで、受光部２内でのレーザ光ビーム１の照射位置を推定することが可能となる。

本発明のレーザ用出力モニタは、応答性が速く繰返し照射に対しても再現性よく応答するレーザ光出力モニタを安価に実現することができ、レーザの出力モニタ等として産業上有用である。

本発明のレーザ用出力モニタの実施の形態における構成図 本発明のレーザ用出力モニタの実施の形態における構成図 本発明のレーザ用出力モニタの実施の形態における構成図 従来のサーモパイル型のレーザセンサの構成図 従来の受光板の詳細図 従来の簡易パワーメータのブロック図

符号の説明

１ レーザ光ビーム
２ 受光板
３ ヒートシンク（放熱部）
４ 受光板押さえ
５ 非接触放射温度センサ（放射温度計）
６ 信号処理基板

Claims (12)

1. 入射したレーザ光のエネルギを熱に変換する受光板と、
   前記受光板と部分的に接しており前記受光板で変換された熱を外部へ排熱する放熱部と、前記受光板の温度を計測するために、前記受光板の入射面とは反対側に配置された温度検出部と、
   前記温度検出部を実装する基板と、
   前記温度検出部と前記受光板との間に空間を設けて、前記基板と前記受光板との間に設けられた受光板押さえとを有するレーザ用出力モニタにおいて、
   前記温度検出部は、前記受光板のうち前記放熱部と接触していない部分の範囲内で前記レーザ光のビーム径よりも広い範囲を測定範囲とし、非接触で温度計測が可能であり、
   前記空間は、前記受光板の温度を変動させる気流を防ぐ簡易気密構造である、レーザ用出力モニタ。
2. 入射したレーザ光のエネルギを熱に変換する受光板と、
   前記受光板と部分的に接しており前記受光板で変換された熱を外部へ排熱する放熱部と、前記受光板の温度を計測するために、前記受光板の入射面とは反対側に配置された温度検出部と、
   前記温度検出部を実装する基板と、
   前記温度検出部と前記受光板との間に空間を設けて、前記基板と前記受光板との間に設けられた受光板押さえとを有するレーザ用出力モニタにおいて、
   前記基板の大部分に銅箔パターンを設けるか、前記温度検出部と前記受光板押さえとを直接接触させるか、前記温度検出部と前記放熱部とを直接接触させることで、前記受光板と前記温度検出部との間に伝熱経路を確保する、レーザ用出力モニタ。
3. 前記温度検出部は、前記測定範囲の平均的な温度を計測する、請求項１または２に記載のレーザ用出力モニタ。
4. 前記温度検出部は放射温度計である請求項１から３のいずれかに記載のレーザ用出力モニタ。
5. 前記温度検出部は２次元温度分布を測定できる放射温度計アレイからなる請求項１から３のいずれかに記載のレーザ用出力モニタ。
6. 前記受光板と前記温度検出部との間の空間を、前記受光板の温度を変動させる気流を防ぐ簡易気密構造とした請求項２から５のいずれかに記載のレーザ用出力モニタ。
7. 前記受光板と前記温度検出部との間に前記受光板を固定するための前記受光板押さえが設けられており、前記受光板押さえが簡易気密構造を構成する請求項６記載のレーザ用出力モニタ。
8. 前記受光板と前記温度検出部との間に前記受光板で変換された熱を放熱する前記放熱部を備え、前記放熱部が簡易気密構造を構成する請求項６記載のレーザ用出力モニタ。
9. 前記温度検出部を実装する基板を備え、前記基板が簡易気密構造を構成する請求項６から８記載のいずれかに記載のレーザ用出力モニタ。
10. 前記受光板と前記温度検出部との間に伝熱経路を備えた請求項１および３から９のいずれかに記載のレーザ用出力モニタ。
11. 前記温度検出部を実装している基板面の大部分に銅箔パターンを設けることで前記伝熱経路を確保する請求項１０記載のレーザ用出力モニタ。
12. 前記銅箔パターンに平坦にハンダ処理を行なった請求項１１記載のレーザ用出力モニタ。