JP5166005B2 - Power probe - Google Patents
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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。 The present invention relates to a power probe that detects the output of a laser beam, and in particular, has a high laser resistance.
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)。 It is the most important task to detect the output power in the control of the laser oscillator. As a method for detecting the output power, there are a method using photoelectric conversion, a method using optical-thermal conversion, a method of detecting thermal energy, and the like. In the method of detecting from one light, photons are captured and converted into electricity or heat, so that amplification is relatively easy and sensitivity is high. On the other hand, it is not suitable for measuring too much energy. The other method of detecting the thermal energy detects the laser beam as heat, so that the sensitivity is low and the measured value changes depending on the balance between heat dissipation and heat absorption, and high-precision measurement is difficult. On the other hand, it is simple and suitable for measuring laser light having relatively large energy. Conventionally, as an output measuring device for a carbon dioxide laser that outputs a relatively large energy, for example, the surface of the light receiving unit is subjected to high-absorbance coding for the wavelength light of the laser beam to be measured, and the light receiving unit The temperature rise is measured with a bimetal thermometer (see, for example, Non-Patent Document 1).
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。 Conventionally, the detailed configuration of the laser light absorbing portion has not been described, but according to the analysis and investigation by the present inventors, the surface of the base material portion made of Al is coated with an alumite portion as a laser light absorbing portion. It has been found that This power probe is a type of calorimeter that absorbs laser light at the anodized part, disperses the absorbed heat throughout the base part, measures the temperature rise value with a bimetal thermometer, and displays it as power. ing. However, when a strong laser beam is irradiated to the anodized part and the anodized part is heated to 600 to 700 ° C., the surface of the base material part immediately below the anodized part of the irradiated part is melted, resulting in laser damage. Thus, since the melting temperature of the base material portion is low, the conventional power probe has a problem that the laser resistance is low.
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。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object thereof is to provide a power probe having high laser resistance.
また、この発明は、純アルミ(JIS1000系)、Al−Mg系合金(JIS5052)、JIS2000系、JIS3000系、JIS4000系、JIS5000系、JIS6000系、JIS7000系のいずれかであるAlにて成る基材部と、上記基材部の上に配置された純アルミ(JIS1000系)、Al−Mg系合金(JIS5052)、JIS2000系、JIS3000系、JIS4000系、JIS5000系、JIS6000系、JIS7000系のいずれかであるAlの溶融点より高い溶融点を有し、かつ、純アルミ(JIS1000系)、Al−Mg系合金(JIS5052)、JIS2000系、JIS3000系、JIS4000系、JIS5000系、JIS6000系、JIS7000系のいずれかである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。 Further, the present invention provides a base material made of Al which is one of pure aluminum (JIS1000 series), Al—Mg alloy (JIS5052), JIS2000 series, JIS3000 series, JIS4000 series, JIS5000 series, JIS6000 series, and JIS7000 series. And pure aluminum (JIS 1000 series), Al-Mg alloy (JIS 5052), JIS 2000 series, JIS 3000 series, JIS 4000 series, JIS 5000 series, JIS 6000 series, JIS 7000 series disposed on the base part. a high melting point than the melting point of some Al, and pure aluminum (JIS1000 series), Al-Mg alloy (JIS5052), JIS2000 series, JIS3000 series, JIS4000 series, JIS5000 series, JIS6000 series, any of JIS7000 series Big That has a higher melting point than the melting point of Al, and a heat conducting portion made by a material having less than three times the thermal conductivity of 0.5 times or more the thermal conductivity of Al, the substrate of the heat conducting portion The laser light absorber portion formed on a different surface from the surface where the portion is disposed, and the thermal energy absorbed by the laser light absorber portion and conducted to the base material portion through the heat conducting portion are measured. A temperature sensing element and a display unit for displaying the magnitude of thermal energy measured by the temperature sensing element are provided.
また、この発明のパワープローブは、純アルミ(JIS1000系)、Al−Mg系合金(JIS5052)、JIS2000系、JIS3000系、JIS4000系、JIS5000系、JIS6000系、JIS7000系のいずれかであるAlにて成る基材部と、上記基材部の上に配置された純アルミ(JIS1000系)、Al−Mg系合金(JIS5052)、JIS2000系、JIS3000系、JIS4000系、JIS5000系、JIS6000系、JIS7000系のいずれかであるAlの溶融点より高い溶融点を有し、かつ、純アルミ(JIS1000系)、Al−Mg系合金(JIS5052)、JIS2000系、JIS3000系、JIS4000系、JIS5000系、JIS6000系、JIS7000系のいずれかである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。 Moreover, the power probe of the present invention is made of Al which is one of pure aluminum (JIS1000 series), Al—Mg alloy (JIS5052), JIS2000 series, JIS3000 series, JIS4000 series, JIS5000 series, JIS6000 series, JIS7000 series . And a pure aluminum (JIS 1000 series), Al-Mg alloy (JIS 5052), JIS 2000 series, JIS 3000 series, JIS 4000 series, JIS 5000 series, JIS 6000 series, JIS 7000 series disposed on the base section. a high melting point than the melting point of Al is either, and pure aluminum (JIS1000 series), Al-Mg alloy (JIS5052), JIS2000 series, JIS3000 series, JIS4000 series, JIS5000 series, JIS6000 series, JIS700 Has a higher melting point than the melting point of Al is either system, and a heat conducting portion made by a material having less than three times the thermal conductivity of 0.5 times or more the thermal conductivity of Al, heat The laser light absorber formed on a surface different from the surface on which the base material portion of the conductive portion is disposed, and the heat absorbed by the laser light absorber portion and conducted to the base material portion through the heat conducting portion Since the temperature measuring body for measuring the temperature of the energy and the display unit for displaying the magnitude of the heat energy measured by the temperature measuring body are provided, it is possible to achieve high laser resistance and to reduce the weight.
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。
Embodiments of the present invention will be described below. FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of a laser power probe according to
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。
Next, the detailed configuration of each part will be described. First, although the
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(Al2O3)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。
Further, it is conceivable that the
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。
And it is difficult to form the film thickness of the alumina produced by the thermal spraying process with a uniform film thickness from the characteristics of the manufacturing method. And the film thickness formed by a thermal spraying process is formed with a film thickness of about 10 μm or more, and the film thickness distributed on the average is 100 μm or more. Further, the maximum film thickness formed by the thermal spraying method is about several hundred μm. In the first embodiment, if the thickness of the laser
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。
Next, a method for measuring the power of the laser beam in the power probe of the first embodiment configured as described above will be described. First, when carbon dioxide laser light (not shown) is irradiated onto the laser
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))。
Here, the point that a conventional laser power probe is damaged by laser light irradiation will be described with reference to FIG. First, when the
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。 In the laser power probe of the first embodiment configured as described above, since the base material portion is changed from Al to Cu, the base material portion does not melt up to about 1000 to 1100 ° C. On the other hand, since alumina constituting the laser light absorber has a melting point of about 2000 ° C., laser damage does not occur until the irradiated portion is about 1000 ° C. Moreover, since the thermal conductivity of Cu is almost twice that of Al, the base material portion made of Cu is basically less likely to raise the temperature than the base material portion made of Al. It also has the advantage of. According to the research by the inventors, the laser damage threshold of the power probe for laser is about 2.5 KW to 5.5 by changing the base part made of Al to the base part made of Cu. It was confirmed that it improved to 0 KW. The size of the base part of the power probe used at this time was a cylinder formed with a diameter of 90 mm and a height of 50 mm. The laser beam was irradiated for 20 seconds with a beam diameter of about 10 mm. As a result, it is possible to easily obtain a laser power probe excellent in laser resistance.
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。
FIG. 3 is a cross-sectional view showing a configuration of a laser power probe according to
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。
As is apparent from Table 1 above, Cu having a heat capacity equivalent to that of Al is about 2.36 times that of Al by weight and about 0.72 times that of Al by volume. For example, the weight of a power probe having a laser light power of 10 KW is about 1 kg when the
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。 The power probe for a laser according to the second embodiment configured as described above can reduce the weight because the base material portion is made of Al, and the upper portion thereof is higher than the melting point of Al. Since the heat conduction part made of a material having a melting point and having a heat conductivity of 0.5 to 3 times the heat conductivity of Al is disposed, the first embodiment described above is provided. Similarly to the above, it is possible to easily obtain a laser power probe having excellent laser resistance.
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。
Embodiment 3 FIG.
FIG. 4 is a cross-sectional view showing a configuration of a laser power probe according to Embodiment 3 of the present invention. In the figure, the same parts as those in the above embodiments are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted. In this Embodiment 3, the display part 4 is directly installed in the
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(3Al2O3・2SiO2)やステアタイト(MgO・SiO2)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。
In each of the above embodiments, the carbon dioxide laser beam is shown as an example of the laser beam. However, the present invention is not limited to this, and for example, a YAG laser beam and other laser beams can be used similarly. Needless to say, the same effect can be obtained.
Moreover, although the example which comprises a laser beam absorber part by a thermal spraying alumina was shown, it is not restricted to this, The laser beam absorber part should just select the member which can absorb the laser beam irradiated, if carbon dioxide laser light, in addition, for example, mullite (3Al 2 O 3 · 2SiO 2 ) and steatite (MgO · SiO 2) it is possible to form such by thermal spraying, to the same effect Is possible.
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。
Further, in each of the above embodiments, Cu is used as a material having a melting point higher than the melting point of Al and having a thermal conductivity of 0.5 to 3 times the thermal conductivity of Al. Although an example was shown, it is not restricted to this, For example, brass, gold | metal | money etc. can also be used and there can exist the same effect.
Moreover, although the example which provides a laser beam absorber part only in the single side | surface of a base material part was shown, it is not restricted to this, For example, you may form a laser beam absorber part in the both surfaces or the whole surface of a base material part. Needless to say, the same effect can be obtained. Further, by forming the laser light absorber portion on a plurality of surfaces, it becomes possible to measure laser light on a plurality of surfaces, and even if one surface of the laser light absorber portion deteriorates, the other surface It becomes possible to measure by irradiating the laser beam with the laser beam absorber.
1 レーザ光吸収体部、2,6 基材部、4 表示部、5,13 測温体。
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