JP6021929B2 - レーザ出力計、レーザ出力測定方法、およびレーザ出力監視システム - Google Patents
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Description
この発明の実施の形態について、図を用いて説明する。先ず、この発明のパワーダンパー、レーザ出力計、およびレーザ出力監視システムの構成に関して順に説明する。
図1において、パワーダンパー6は、レーザ発振器10から発せられるレーザ光Lをその内面1aで吸収するコーン状の受光体1、および受光体1を収容するケース3を備えている。受光体1の開口側周辺は、断熱体4を介してケース3の開口側に取り付けられているため、受光体1とケース3は熱的に絶縁されている。ケース3には冷却水を取り入れる入水孔3aと冷却水を取り出す出水孔3bが設けられ、受光体1の外面1bとケース3の内側が水路2となっている。受光体1の外面1bには温度測定手段5bが、また、受光体1の内面1aの側で、ケース3との接合部の近傍には、温度測定手段5aがそれぞれ取り付けられている。温度測定手段5a、5b(両者を併せて、単に温度測定手段5と呼ぶことがある)は、安価で精度の良い、熱電対、温度抵抗体、温度センサICなどが使用される。また、断熱体4は、受光体1に比較して熱伝導率が1桁以上低いものである。具体的には、ゴム、樹脂、セラミックス、レンガ、等である。断熱体4の選定にあたっては、熱伝導率が10W/m/℃(鉄の1/10)以下、できれば1W/m/℃(鉄の1/100、ゴムがこれに当たる)以下の材料が、その断熱効果上、望ましい。なお、断熱体4の耐熱性は、受光体1の上昇温度によって決めればよい。上昇温度が100℃程度になるように測定手順を設定すれば、ゴムが安価に実施できる断熱体の一つである。
次に、レーザ出力計の構成について説明する。
レーザ出力計20は、パワーダンパー6と変換手段21によって構成される。変換手段21は、温度測定手段5a、5bの信号(温度測定値)と、パワーダンパー6(受光体1)の熱容量とを基に、レーザ出力値を求める。変換手段21は、具体的には、増幅器、スケーリングメータ、オペアンプ等による演算回路、およびA/D変換器等の組み合わせからなる。
次に、パワーダンパー6およびレーザ出力計20を用いたレーザ出力監視システムについて説明する。
レーザ出力監視システム80を構成するレーザ出力測定の制御手段30は、NC、シーケンサ、パソコンなどからなる。水路2の冷却水の流れを、制御手段30の制御により入り、切りする流水遮断手段31は、一般的には、冷却水ポンプのスイッチや水用電磁弁で構成される。レーザ発振器10の発振を制御するレーザ発振の制御手段32は、制御手段30の指令によってレーザ発振をON、OFFするか、または、レーザ光Lの強度を増減する。冷却水の温度測定手段33およびパワーダンパー6周辺の気温を測定する気温の測定手段34は、温度測定手段5(5a、5b)と同様に、熱電対、温度抵抗体、温度センサICなどが使用される。ただし、パワーダンパー6の温度測定手段5、冷却水の温度測定手段33、および気温の測定手段34は同一形式の測定手段を用いることが信号処理上望ましい。
次にパワーダンパー6の動作を説明する。
レーザ発振器10から出射したレーザ光Lは、受光体1の内面1aで吸収されて熱に変換される。熱は直ちに受光体1の内部を伝熱し、ケース3との接合部での断熱体4によって、その伝達が絶たれる。先行技術では、より速く熱を冷却水に伝熱させる目的で、受光体1とケース3を直接接合していた。断熱体4をケース3との接合部に取り付けないため、受光体1の熱がケース3にも伝熱するので、冷却水が吸熱する接触面積が相対的に増えて、より速く熱を冷却水に伝熱できた。よって、受光体1の温度上昇が低くなっていた。しかし、この発明は、後述する効果を奏するために、断熱体4をケース3との接合部に取り付けている。一方、受光体1の外面1bに伝導した熱は、水路2中の冷却水に伝達される。水路2中の冷却水は、絶えず入水孔3aから流れ入り、出水孔3bから流れ出る。つまり、冷却水に伝達されたレーザ出力は、冷却水によってパワーダンパー6から排出される。なお、このとき、相対的には微量ではあるが、内面1aの表面から空気中へ伝熱する熱もある。もし、断熱体4がなければ、ケース3の表面から空気中への伝熱する熱もあるが、この発明ではこの伝熱はない。
(a)受光体1の、水路2との接触面積Sという設計に基づく幾何学的な計算値と、
(b)前もって測定した流速での受光体1の外面1bの熱伝達率と
によって、レーザ出力(入熱量)が次式1により求められる。
レーザ出力
=熱伝達率*接触面積*
(「発振後の温度」―「発振前の温度(冷却水温)」) [式1]
なお、実際には熱伝達率に受光体毎の補正係数が必要である。
また、通常の共振器ミラー調整は、レーザ出力が高いため、発振器から出射したレーザ光を、減衰手段を介して出力計に入射させて、レーザ出力をモニタしながら作業を行う。この場合、危険なレーザ光を作業中に発振器から出射すること、出力モニタ用に減衰手段と出力計を必要とすること、という不都合がある。
しかし、この発明を用いれば、共振器ミラーの調整において、このパワーダンパーによりレーザ出力を測定できるので、発振器からレーザを出射することなく調査できる。危険なレーザ光への暴露の可能性がなくなるため、安全に調整作業を行える。また、減衰手段等を必要とせず、簡単に調整作業ができる。かつ、減衰手段を介さない絶対出力によって調整ができるため、正しく調整できる。さらに、通常のレーザ発振器に内蔵されている、レーザ出力のフィードバック制御に使用される「部分透過鏡を通過したレーザ光による積分球タイプの出力計」の校正ができる。
次にこのパワーダンパー6を用いたレーザ出力計20の動作およびレーザ出力測定方法を説明する。
レーザ出力計20は、パワーダンパー6に、温度をレーザ出力へ変換する変換手段21を追加するのみで実現できる。具体例として、変換手段21により、式1を用いたレーザ出力測定の動作を説明する。
h(T)=k(T)*S [式2]
として求める。なお、このh(T)は、測定に先立って求める関数である。
そして、レーザ出力中での温度T1を入力する。
変換手段21は、
「レーザ出力」=h(T0)*(T1−T0) [式3]
でレーザ出力値が求められる。この例では、上記の式3で受光体の熱容量によらずレーザ出力は測定できる。しかし、熱容量が大きいと、レーザ出力の変化に対して温度Tの時間遅れが発生する。この時間遅れを把握して、温度Tの測定を行う必要がある。
まず、初期状態として、測定の制御手段30の指令で、レーザ発振の制御手段32がレーザ発振を休止し、流水遮断手段31が冷却水を流す(図3(a)の冷却水ON)。
平均出力値=Cq*(T1−T0)/t
ここで、冷却水を止める断熱効果を説明する。流水の場合の熱伝達率は3000〜6000W/m2/℃であるが、これが止まると300W/m2/℃となる。これは、同一伝達面積で同一温度差を維持する場合、約1mm厚さのゴム(熱伝導率0.3W/m/℃)による断熱と同等の作用である。また、実際には吸熱量とともに冷却水も昇温するため、受光体との温度差が小さくなり、吸熱量は減る。つまり、流水状態では、よい吸熱面として作用するが、止水状態では、断熱面となる。
また、工程4の計算では、内面1aから空気へ伝熱を補正するため、気温の測定値を入力して、測定精度をさらに向上させることが可能である。
このようにこの発明のレーザ出力計およびレーザ出力測定方法によれば、温度上昇幅を大きく取れるので、測定精度の高いレーザ出力測定が、安価に実現可能である。
次に、レーザ出力監視システムの動作について図1にて説明する。
高出力レーザでは、その高出力の故に、構成品である電源、励起媒質、共振器ミラー、および出力モニター用のセンサ等が性能低下等を起こす。この性能劣化によって、設定出力に対する実測出力は低下する。各構成品の性能低下のレーザ出力への影響は、その発振器により特徴的である。たとえば、CO2レーザ出力が短時間で低下した場合、励起媒質である
レーザガスが寿命(成分ガスの分解や結合の組み替え)になったと判断できる。この場合は、レーザガスを交換すればよい。レーザガス交換直後の出力が、数ヶ月単位で低下した場合、共振器ミラーの汚れ等により反射率が低下したと判断される。数段階の出力設定で、高出力時のみレーザ出力が低下する場合、電源が異常であると考えられる。このように、毎日の出力変化、各種メンテナンス直後毎の出力変化など、その履歴とメンテナンス内容に関するデータベースとを比較することで、メンテナンス内容が選定可能である。
レーザ出力の測定の制御手段30は、レーザ発振器10が発振していない時間帯、例えば、発振器立ち上げ直後の数十秒間、またはレーザ加工機が加工プログラムを転送しているとき、または動作確認のためレーザ出射OFFで加工テーブルを駆動しているときなどに、図2のフローチャートによって、自動的にレーザ出力を測定する。レーザ出力の実測値は記憶手段81にて記憶される。このとき必要に応じて設定出力値が同時に記憶される。
本実施の形態2は、実施の形態1のものに比べて、より簡易な構成のパワーダンパーおよびレーザ出力計に関するものであり、これを図5を用いて説明する。
図5において、本実施の形態2のパワーダンパー6は、図1に示すパワーダンパーから温度測定手段5bを省略し、構成を簡易にしたものである。その他の構成は図1のパワーダンパーと同じでなので、図1と同一の要素に同一符号を付して説明は省略する。温度測定手段5aは、受光体1の内面1aの断熱体4の近傍(レーザ光照射位置から遠い位置)に取付けられているため、温度上昇はやや遅れるが、精度的には問題なく、温度測定手段5aの配線は容易(耐水性、耐熱性の要求がない)である。
次に、レーザ出力計の構成について説明する。
レーザ出力計20は、パワーダンパー6に変換手段21を取り付けたものである。実施の形態1での計算と同様に、変換手段21は、温度測定手段5aの信号(温度測定値)と、パワーダンパー6(受光体1)の熱容量とを基に、レーザ出力値を求める。通常のパワーダンパーを用いたレーザ出力計は、冷却水の入り口と出口の温度(温度測定手段が計2個)を測定し、冷却水の流量(流量測定手段が1個)を測定して、レーザ出力値を求める。つまり、計3個の測定手段(センサー)が必要である。
実施の形態2:断熱体+温度測定手段が1個
従来例 :温度測定手段が2個+流量測定手段が必要
つまり、実施の形態2では温度測定手段1個のみとなり、高価な流量測定手段を使用することなくレーザ出力値を得ることができるという特徴がある。
3 ケース、3a 入水孔、3b 出水孔、4 断熱体、
5 温度測定手段、
5a 温度測定手段(受光体とケースとの接続部近傍に位置する)、
5b 温度測定手段(受光体の受光部の外面に位置する)、
6 パワーダンパー、10 レーザ発振器、20 出力計、
21 変換手段、22 レーザ発振時間の測定手段、
30 レーザ出力測定の制御手段、31 冷却水の流水遮断手段、
32 レーザ発振の制御手段、33 冷却水の温度測定手段、
34 気温の測定手段、75 レーザ出力の出力手段および表示手段、
80 レーザ出力監視システム、81 レーザ出力の記憶手段、
82 レーザ出力変化の演算手段、83 メンテナンス内容の選定手段、
84 メンテナンス部品とメンテナンス時期の通知手段。
Claims (8)
- レーザ発振器からのレーザ光をその内面に受光し、レーザ出力を熱に変換する受光体と、前記受光体の外面を取り囲むように前記受光体に取付けられ、前記受光体の外面との間に冷却水の水路を形成するケースと、前記ケースに設けられた前記水路への入水孔および出水孔と、前記受光体と前記ケースの取付け部において、前記受光体と前記ケースとを熱絶縁する断熱体と、前記受光体の温度を測定する温度測定手段とを備えたパワーダンパーを用いたレーザ出力測定方法であって、前記パワーダンパーへの冷却水の流通を遮断する第1の工程、前記レーザ発振器を一定期間発振させる第2の工程、前記温度測定手段の出力信号の最大変化値を測定する第3の工程、前記最大変化値、前記パワーダンパーの熱容量および前記レーザ発振器の発振時間をもとに、変換手段でレーザ出力値を算出する第4の工程、および前記レーザ発振器の出力値を出力または表示する第5の工程からなることを特徴とするレーザ出力測定方法。
- 前記変換手段がA/D変換器と演算回路で構成されていて、予想される前記レーザ出力による前記温度測定手段の出力値が、前記A/D変換器の入力範囲のおよそ90%になるようにレーザ発振の制御手段によって前記レーザ発振器の発振期間を制御することを特徴とする請求項1に記載のレーザ出力測定方法。
- レーザ発振器からのレーザ光をその内面に受光し、レーザ出力を熱に変換する受光体と、前記受光体の外面を取り囲むように前記受光体に取付けられ、前記受光体の外面との間に冷却水の水路を形成するケースと、前記ケースに設けられた前記水路への入水孔および出水孔と、前記受光体と前記ケースの取付け部において、前記受光体と前記ケースとを熱絶縁する断熱体と、前記受光体の温度を測定する温度測定手段とを備えたパワーダンパーを有し、前記パワーダンパーに備えられた前記温度測定手段が検出する信号をレーザ出力に変換する変換手段と、前記パワーダンパーの前記冷却水の流れを止める流水遮断手段と、前記レーザ光を一定時間前記受光体に照射するレーザ発振の制御手段とを備えたことを特徴とするレーザ出力計。
- レーザ発振器からのレーザ光をその内面に受光し、レーザ出力を熱に変換する受光体と、前記受光体の外面を取り囲むように前記受光体に取付けられ、前記受光体の外面との間に冷却水の水路を形成するケースと、前記ケースに設けられた前記水路への入水孔および出水孔と、前記受光体と前記ケースの取付け部において、前記受光体と前記ケースとを熱絶縁する断熱体と、前記受光体の温度を測定する温度測定手段とを備えたパワーダンパーを有し、前記パワーダンパーに備えられた前記温度測定手段が検出する信号をレーザ出力に変換する変換手段を備え、前記変換手段は、前記レーザ発振器の発振時間測定手段の出力信号と、前記冷却水の温度と、気温の測定手段の出力信号と、前記温度測定手段の出力信号とからレーザ出力を算出することを特徴とするレーザ出力計。
- 前記温度測定手段は、前記受光体の外面に設置されていることを特徴とする請求項3または4に記載のレーザ出力計。
- 前記温度測定手段は、前記受光体の内面で、前記ケースへの取付け部近傍に設置されていることを特徴とする請求項3または4に記載のレーザ出力計。
- 前記温度測定手段は、熱電対、白金抵抗体、または温度センサICであることを特徴とする請求項3または4に記載のレーザ出力計。
- 請求項3または4に記載のレーザ出力計を用いたレーザ出力監視システムであって、前記レーザ発振器の電源投入中で、かつ、レーザ発振は必要でない期間に、レーザ出力を自動的に測定する制御手段、レーザ出力の記憶手段、レーザ出力の経時変化を演算する手段、レーザ出力の変化からレーザ発振器のメンテナンス内容を選定する手段、および前記メンテナンス内容に基づきメンテナンス部品を通知する手段またはメンテナンス内容からメンテナンス時期を通知する手段を備えたことを特徴とするレーザ出力監視システム。
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