JPH05503575A - レーザ出力を測定する方法およびその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 レーザ出力を測定する方法およびその装置測定ワイヤ等を、レーザビームを横断 する方向に相対往復移動させる、レーザ出力を測定する方法に関する。

宵景荻折 レーザ出力を測定する方法としては、ビームを全部吸収する検出器を用いること が一般に知られている。しかし、この測定期間の間は、レーザビームを使用し被 加工物を処理することはできない。またこれとは別の一般に公知の方法としては 、反射部材あるいは部分的に透過性の光学系を使用してレーザビームの一部を測 定する方法も知られている。この方法では、原理的には被加工物を処理している 間も測定を行うことができる。しかしながら、そうした反射部材や部分的に透過 性の光学系ではレーザビームに悪影響があり、またあるいはそれ自体がレーザの 過度の放射エネルギーまたは強さによって破壊または損壊されるおそれがある。

このため、−ｉ的には、レーザビームの集束光学系と被加工物との間では測定を 行うことができない。

ヨーロンパ公開特許ＥＰ　８１００５０１５９には上記技術を含む方法が開示さ れている。この方法では測定ワイヤの電気抵抗の温度依存性を利用してレーザビ ームのエネルギーの測定値を得る。しかしながら、その測定値は干渉、例えば、 対流に依存する様々な伝熱抵抗、による悪影響を受ける。

主里至Ｍ丞 したがって、本発明の目的はレーザ出力をオンラインで無干渉測定できる、上記 種類の改良された方法を従供することにある。

本発明の方法は、測定ワイヤをその熱時定数により実質的に短い時間だけビーム の横断面と相対的に移動させ、上記測定ワイヤに近接し、また電気的に付勢でき 、温度依存の電気抵抗を有し、かつ放射レーザ吸収度が測定ワイヤより低い平行 な補償ワイヤを使用し、これら２本のワイヤの測定値をめ、そしてそれらの商を それらワイヤの対流冷却とは無関係のレーザ出力の目安として計算することから なる。

この方法の起点は、測定ワイヤの吸収したレーザ放射エネ７ギーがその測定ワイ ヤの周囲への熱の形で出され、この結果平衡状態が発生する事実である。その熱 は放射と対流によって出されるが、放射がその熱の発生に関わる割合は、測定ワ イヤの温度が比較的低いため無視できる。対流によって出される熱は測定ワイヤ の伝熱抵抗αに依存する。この伝熱抵抗αはその温度依存性が低く、ワイヤ直径 に反比例するあるいは使用測定部材の横断面形状に依存する。さらには、測定ワ イヤの対流冷却を一定と見做してはならない。これは対流冷却流体の流れ、すな わち、被加工物を処理している場所において処理に影響を与えるために使用する ような空気または処理ガスの流れを測定場所に発生させるからである。これらの 流れで測定ワイヤの冷却が大きくなるので、これによって得られる測定値は低過 ぎる。放射エネルギーは低過ぎる値で示される。しかし、補償ワイヤを用いて、 測定結果に対する対流冷却の影響、すなわち、冷却や測定ワイヤに対する伝熱抵 抗αの影響、を除くことができる。上記２本のワイヤは互いに近接配置されるの で、それらのワイヤの冷却に対する空気流の影響はどの場合も変わらない。２本 のワイヤの測定値を互いに均衡させれば、対流冷却に対する、空気流の影響およ び伝熱抵抗αの依存が除かれる。１つの重要な特徴として、補償ワイヤの放射レ ーザの吸収度が測定ワイヤより低いので、測定ワイヤの測定値のいかなる変化も 主として対流冷却に帰因することがあげられる。他方、レーザ出力のいかなる変 化も測定ワイヤの測定値にのみ影響するだけである。

好ましくは、２本のワイヤを電気的に付勢してそれらのワイヤにおいて測定電流 を一定に保持し、その結果としてそれらワイヤにおいて降下する電圧を、商をな す測定値として使用することである。上記一定の電流によって電圧が、特定ワイ ヤの抵抗に応して降下する。したがって、測定ワイヤの電圧の降下は、レーザビ ームの吸収によるワイヤ温度の変化によって生じる抵抗の変化に比例する。

測定ワイヤの測定電流の、測定結果に対する影響をできるだけ小さくするために は、この方法を、測定電流が測定ワイヤの吸収するレーザビーム出力よりも低い 出力を測定ワイヤに生じさせるように実施する。

一方、補償ワイヤにレーザ出力あるい程度吸収させるためには、この方法を、補 償電流が、補償ワイヤの吸収するレーザビーム出力より高い出力をその補償ワイ ヤに生じさせるように実施する。この場合、補償ワイヤによってめた測定値はそ の補償ワイヤで吸収したレーザ出力とは無関係である。

商を得る前に本発明により測定結果に対する周囲温度の影響を除くために、その 周囲温度によって降下する基本電圧をワイヤおいて降下する電圧の各々から差し 引く。

本発明はまた、温度依存性の電気抵抗を有し、レーザビームの横断面方向に相対 往復移動させかつ電気的に付勢できる測定ワイヤを使用したレーザ出力測定装置 にも関する。測定結果から上記の不都合を排除するために、本装置は、温度依存 性の電気抵抗をもった平衡な補償ワイヤを測定ワイヤに近接配置し、これら２本 のワイヤの各々の放射レーザ吸収度が異なっており、２本のワイヤの各々を電源 および測定装置に接続し、また測定装置の測定値を処理する、表示装置を接続し た分圧回路を備えた構成になっている。伝熱抵抗や流れ速度の影響のない測定結 果を上記表示装置から読取り、また／あるいはプロセス処理のためにさらに使用 することができる。

好ましくは、電源を定電流源とするとともに、測定装置を電圧計とすることであ る。

本装置は往復移動させられるレーザビームの回動範囲内に固定配設されるので、 レーザビームとワイヤとの相対的可動性をビームの移動によって得ることができ る。固定したワイヤを有する装置の使用は、被加工物の処理に、往復移動させら れるあるいは走査レーザを使用しなければならない場合に特に有利である。

測定信号を増大するために、ワイヤはレーザビームの相対的回転経路に対して傾 斜して配設される。

測定ワイヤの吸収係数を最大とし、補償ワイヤによるレーザ出力吸収はできるだ け小さくする。これは、測定ワイヤとして黒化ワイヤを使用し、また補償ワイヤ として測定ワイヤと同じ直径の光輝ニッケル・ワイヤを使用すると補償ワイヤに よる吸収を測定ワイヤより低くできることによって可能である。

好ましくは、上記ワイヤの相対移動範囲内に強制ガス流を設けることである。こ れによって、装置とその測定範囲とを、与えられた環境に適応させることができ る。

温度依存抵抗を有する電気的に付勢される基準ワイヤをレーザビームの相対可動 範囲外に設け、周囲温度の変動を等化させるように２つの測定装置に接続すれば 、レーザビームの表示値および測定値に対して影響を及ぼさない周囲温度変動に よって簡単にそれら２つの測定装置に影響を及ぼすことができる。

”　（７）　ｆ！１更 以下、添付図面に従って本発明の詳細な説明する。

図１はレーザビームを集束する装置と組み合わさった測定装置の概略側面図、 図２は測定ワイヤの配置を示す平面図、図３は本発明になる測定装置のブロック 図、である。

日を　するだめの　の１ 図１はレーザ源（図示せず）からのレーザビーム１７による処理対象であり、例 えば、別の金属シートに溶接すべき金属シー）１９を略示している。その溶接作 業は高いレーザパワー、例えば、溶接速度を高めるために１００ＯＷ以上のレー ザパワで行なう。貯留タフ２３から処理ガス、例えば、窒素ガス（Ｎ２）を供給 されるノズル２２から処理ガス２１（例えば、Ｎ２　）を処理板２０に吹付ける 。

概略図示する集束光学系、例えば、集束ミラー２５を用いてレーザビーム１７を 用いる。その集束ミラー２５には偏向ミラー２６経由でそのレーザビーム１７が 送られる。その集束ミラー２５はミラーボックス２４に収納されて処理板２０に レーザビーム１７を集束するものである。集束されたレーザビーム１７を横断し てミラーボックス２４内には測定ワイヤ１０が配設されている。このワイヤ１０ は建物の環境とは無関係にレーザビームと相対的に必要に応じて配置できる。

好ましくは、この測定ワイヤ１０では、すでに集束したレーザビームＩ７を測定 することである。したがって、測定以前に生じる電力損失、例えば、光学部材２ ５．２６のすべてにおける反射損も測定結果には影響を及ぼさない。

レーザビーム１７を図の平面に直交して往復移動自在にすれば（これは、例えば 、多角形ミラー（この場合は図１に示すミラー２５，２６、を図の平面に直交し て延びたミラー条帯とする）によって達成できる）、レーザビーム１７ばそれを 横断する方向に延びたワイヤ１０を通過する。この場合、ワイヤ１０は固定配設 できる。レーザビーム１７そのものを固定する場合、ワイヤ１０はビームと相対 的に往復移動させなければならない。図２はレーザビーム１７の相対回動範囲１ ６を示しており、ワイヤ１０はＵ字状の支持部２７によって担持されており、そ の支持部２７は双頭矢印２８で示す方向にレーザビーム１７をアーム２７′相互 の間で往復移動させることができる。それら２本のアーム２７′はワイヤ１０を レーザビーム１７およびその移動経路を横断する方向に延びた状態に保持するも のである。図２はまた、レーザビーム１７相対的回動経路に対し傾斜してワイヤ １０．１１を配設して（図中、鎖線で示す）ワイヤ１０．１１におけるその保持 時間を長くし、その結果をより大きな測定信号とする方法も示している。

ワイヤ１０は黒くされており、したがってレーザビームに対する吸収度εが高く なっている。ワイヤ１０に隣接して明るいワイヤ１１が設けられ、このワイヤは したがってそのレーザビームに対する吸収度εが低くなっている。これら２本の ワイヤすなわち、測定ワイヤとしての黒くしたワイヤｌＯと、補償ワイヤとして の光輝ワイヤ１１、は電気的に付勢でき（図３）、それらのワイヤは各々、定電 流源としての電流源を形成している。この電流源は、例えば、電源用ＦＥＴトラ ンジスタを接続した演算増幅器の形をとるものである。またこの定電流源の代わ りに定電圧源あるいは一定電源を用いても良いが、これでは測定および管理にコ ストがかかりすぎる。

図３の回路は測定装置１３を示しており（ただし、詳細には示してない）。この 測定装置１３は電圧計の形式をとるものであり、ワイヤ１０．１１において降下 する電圧Ｕ、、ＵＫを測定する。測定装置１３は各々その測定値を増幅器２９へ 送る。図では、測定値と電圧の降下ｔＪＭ　＝ｒ　（ＰＬ　）、ＵＫ＝ｆ（ＰＬ ）との依存性を接続ケーブル３０の上方に示す。

図から解るように、レーザパワーを上げると、黒いワイヤ１０がそれだけ高い測 定値を出し、また理想的には、明るいワイヤ１１がそのレーザ出力とは無関係の 測定値を出す。ワイヤ１０．１１の有蓋流れ冷却で生じる電圧を図３には示して ないが、これはいずれの場合にも、それらの電圧が同一であり、したがって、分 圧回路３２で商をめる場合に互いに打消しあうからである。上記分圧回路２１に は増幅器３２が接続しており、この増幅器３２は、例えば、可動コイル部材であ る表示装置３３に対して値をおぐる。

ワイヤ１０．１１は例えば、直径が一定、例えば０．０５　ｎｍの純ニッケル製 ワイヤである。その片方を例えば、６ｃｍの長さとして、レーザビーム１７の横 断面との対比で、そのワイヤの吸収面を小さくし、すなわちレーザビームに対す る遮りを小さな程度にとどめる。測定ワイヤ１０は硫酸と亜硫酸カリウムで黒く されており、１０．６μｍの波長で入射レーザビームを約１００％吸収し、すな わち吸収度１を有する。これと対比して、補償ワイヤ１１は明るく、その吸収度 は０．１である。

電流源１３が測定ワイヤ１０出す測定電流は例えば、１０ｍＡであるので、３． ４Ωの抵抗では、生じる電力はわずか０．３４Ｗとなる。この電力は測定ワイヤ １０が１５００Ｗのビーム電流で吸収する約３００ｍＷの吸収レーザビーム出力 に比べればわずかなものである。測定結果に対する測定電流の影響はしたがって 無視できる程度である。他方、補償ワイヤ１１に対する電流源１２の測定電流の 電力はそのワイヤが吸収する放射エネルギー、この場合では例えば、３００ｍＡ のため比較的高くなければならない。

図２はまた、図示しない方法で電気的に付勢され、温度依存性の電気抵抗を有す る基準ワイヤ１８も示している。この基準ワイヤ１８はレーザビーム１７の可動 範囲１６の外に配設されて測定装置１３に接続され、周囲温度に対応した測定値 を出すものである。それらの測定値は測定値ＵＫ、ＵＮから減算されるので、電 圧Ｕ、、ＵＫの商Ｑは周囲温度の影響で変ることがない。

処理の実施において、レーザビーム１７はワイヤ１０，１１を越えて高速で相対 往復移動させられる。例えば、レーザビーム１７がワイヤ１０．１１を１００回 通過する場合、温度変動は比較的小さく、特に測定ワイヤ１０において小さいが 、これはワイヤ１０．１１の熱時定数が高い、例えば、２５０ｍ５であるためで ある。この間、ワイヤ１０．１１が吸収する放射レーザエネルギーが対流冷却に よって周囲へ与えられ、それによって一定の温度が得られ、したがって得られる 測定値が一定になる。表示装置３３の示す値はしたがって、ビーム横断面全体に わたって測定された放射エネルギーの平均値である。

本発明による方法には各種の利点がある。特に、ビームガイド系におけるいかな る場所、すなわち被加工物の直上でもレーザ出力を実際に測定できる。唯一の前 提条件は、ビーム直径をワイヤの直径より大きくし、測定ワイヤによる遮り、し たがってそのワイヤによるレーザ出力吸収が過度にならないようにすることであ る。

測定は処理中に何らの問題なく行え、測定結果に何らの影響も受けない。特に、 測定ワイヤは泥や汚れに不感応であり、また極めて低コストである。この測定ワ イヤは各種のビーム形状にも簡単に適応させることができ、またその測定範囲は 、その表面の吸収度やワイヤ直径を定めまた強制ガス流によってビームの強さや レーザ出力に適応させることができる。ワイヤを測定センサとして使用する必要 はないが、レーザ出力の若干部分だけを吸収するものであればいずれの構成でも 適当である。このような場合、測定部材と補償部材とは同一の構造でなければな らない。

要　約　書 電気的に付勢可能であり、かつ温度に依存する電気抵抗を示す測定用ワイヤ（ｌ Ｏ）等が放射断面を横切って前後方向に相対的に移動されるところのレーザ出力 を測定する方法に関する。

測定中の干渉の影響を回避するために、該方法は測定用ワイヤ（１０）がその熱 時定数τより実質的に短かい時間に放射線断面に対し相対的に移動され、該測定 用ワイヤ（１０）にはヌ゛平行であり、また電気的に付勢可能で温度に依存する 電気的抵抗を有する補償用ワイヤ（１１）が使用され、該補償用ワイヤ（１１） は該測定用ワイヤ（１０）に比較してレーザ放射に関し微小な吸収度を有するも のであり、かつ両方のワイヤ（１０，’ｌｌ）からの測定値がめられて、それら の商（Ｑ）が両方のワイヤ（１０，１１）の対流冷却により影響されないレーザ 出力用の測度として計算されるように上記測定方法が行われるものである。

図２ 国際調査報告 国際調査報告 ＥＰ　９００２２２４ Ｓ＾　４２８７０

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．温度依存の電気抵抗を有し、電気的に付勢できる測定ワイヤ（１０）等を、 レーザビーム断面を横断する方向に相対往復移動させる、レーザ出力を測定する 方法において、測定ワイヤ（１０）をその熱時定数（τ）より実質的に短い時間 だけビームの横断面と相対的に移動させ、上記測定ワイヤ（１０）に近接し、ま た電気的に付勢でき、温度依存の電気抵抗を有し、かつレーザ放射の吸収度か測 定ワイヤ（１０）に比較して低い平行な補償ワイヤ（１１）を使用し、これら２ 本のワイヤ（１０，１１）の測定値を求め、そして２つの測定値の商（Ｑ）を２ 本のワイヤ（１０，１１）の対流冷却とは独立したレーザ出力の測度として計算 するようになっていることを特徴とするレーザ出力の測定方法。 ２．測定電流を上記２本のワイヤ（１０，１１）において一定に保持し、それら ワイヤ（１０，１１）において結果的に降下する電圧（ＵＭ，ＵＫ）を、上記商 を形成するための測定値として使用することを特徴とする請求項１に記載の方法 。 ３．測定ワイヤ（１０）が吸収するレーザビーム出力に比較して低い出力を測定 電流によって測定ワイヤ（１０）中に生じさせる、請求項１または２に記載の方 法。 ４．補償ワイヤ（１１）が吸収するレーザビーム出力に比較してそれより高い出 力を補償電流によって補償ワイヤ（１１）中に生じさせる、請求項３に記載の方 法。 ５．前記商を得る前に、周囲温度のために降下する基本電丘（ＵＵ）をワイヤ（ １０，１１）において降下する電圧（ＵＭ，ＵＫ）の各々から差引かれることを 特徴とする、請求項２〜４のいずれかに記載の方法。 ６．温度依存性の電気抵抗を有し、レーザビームの横断面を介して横手方向に相 対往復移動させかつ電気的に付勢できる測定ワイヤを使用したレーザ出力測定装 置であって、該装置は、 温度依存性の電気抵抗をもった平衡な補償ワイヤ（１１）を測定ワイヤ（１０） に近接配置し、これら２本のワイヤ（１０，１１）の各々のレーザ放射の吸収度 が異なっており、２本のワイヤ（１０，１１）の各々は電流源（１２）および測 定装置（１３）に接続され、また接続された表示装置（１５）を有し、測定装置 （１３）の測定値を処理する割算装置（１４）の設けられたことを特徴とするレ ーザ出力の測定装置。 ７．電流源（１２）が定電流源であり、測定装置（１３）が電圧計であることを 特徴とする請求項６に記載の装置。 ８．往復移動させられるレーザビーム（１７）の旋回範囲（１６）内に固定配設 されたことを特徴とする、請求項６または７に記載の装置。 ９．ワイヤ（１０，１１）をレーザビーム（１７）の相対的旋回経路に対し傾角 を設けて配設されたことを特徴とする請求項８に記載の装置。 １０．測定ワイヤ（１０）として黒化ワイヤを使用し、補償ワイヤ（１１）は同 じ寸法を有する光輝ニッケルワイヤであることを特徴とする請求項６〜９のいず れかに記載の装置。 １１．ワイヤの相対移動範囲内に閉じ込められたガス流路を設けたことを特徴と する請求項６〜１０のいずれかに記載の装置。 １２．温度依存抵抗を有する電気的に付勢される基準ワイヤ（１８）をレーザビ ーム（１７）の相対的旋回範囲（１６）外に設け、周囲温度のゆらぎを等化させ るように２つの測定装置（１３）に接続したことを特徴とする請求項６〜１１の いずれかに記載の装置。