(57)【要約】  この発明のレーザ出力計は、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１と、受光体外面との間に水路２を形成するケース３と、受光体１とケース３との間の断熱体４と、受光体１が吸収した熱量を測定するための温度測定手段５ａまたは５ｂを設けたパワーダンパー６と、温度測定手段５ａまたは５ｂの信号をレーザ光の出力値へ変換する変換手段２１とで構成する。
2014050859.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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ことを特徴とするパワーダンパー。
【請求項２】
請求項１に記載の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、レーザを一定期間発振させる第２の工程、前記受光体の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、およびレーザ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、前記レーザ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。
【請求項３】
前記変換手段がＡ／Ｄ変換器と演算回路で構成されて、予想される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およそ９０％になるようにレーザ発振制御手段によってレーザ発振期間を制御することを特徴とする請求項２に記載のレーザの出力測定方法。
【請求項４】
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１に記載のパワーダンパー。
【請求項５】
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１に記載のパワーダンパー。
【請求項６】
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１に記載のパワーダンパー。
【請求項７】
請求項１に記載の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有することを特徴とするレーザ出力計。
【請求項８】
前記パワーダンパーの冷却水の流れを止める流水遮断手段、およびレーザ光を一定時間受光体に照射するレーザ発振の制御手段を備えたことを特徴とする請求項７に記載のレーザ出力計。
【請求項９】
前記変換手段は、前記パワーダンパーにレーザ光を照射するレーザ発振器の発振時間測定手段の出力信号と、前記パワーダンパーの冷却水の温度測定手段の出力信号と、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請求項７に記載のレーザ出力計。
【請求項１０】
請求項１に記載のパワーダンパー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、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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、例えば、切断加工や溶接加工に使用される高出力レーザ用のパワーダンパー、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に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、レーザ発振器等の進歩により、高出力レーザが、金属の切断や溶接などの量産ラインへ適用されている。レーザ加工の加工品質は、レーザ出力、レーザパワー密度分布(モード)、加工アシストガス等の加工パラメータの影響を大きく受ける。特に、レーザ出力を適切に設定することが、良好な加工品質を得る上で不可欠な要素であるため、精度の高いレーザ出力計は必須である。【０００３】
ｋＷクラスのレーザ出力計は、一般に、レーザ光強度の減衰手段（部分透過鏡など）にてレーザ光の一部を取り出して測定する。しかし、この場合、高出力を受ける減衰手段または光センサが熱的に劣化するため、おおよそ１年毎に校正や交換などが必要となる。なお、この方法は、レーザ発振器中の出力モニターとして、出力フィートバック制御に使用されることが多い。【０００４】
本来、レーザ出力の測定には、レーザ光のすべてを、レーザ受光体に照射し、熱に変換して、その熱量を測定することが正しい。しかし、この方法では、受光体や冷却水の温度が安定する時間を要してしまう。また、レーザの使用中には測定できないので、フィードバック制御には使用できない。【０００５】
特許文献１のレーザ出力計の受光ユニットは、レーザ受光体と、ケーシングと、両者の間に設けられた冷却水路とで形成されている。給水装置から冷却水が、配管を介して、この冷却水路に供給される。レーザ出力計の測定ユニットは、入口側の冷却水の水量計、熱電対等の水温計、出口側の水温計で構成されている。これら計器で測定された冷却水の流量Ｑ、入口側水温Ｔｉおよび出口側水温Ｔｏの測定値によって、受光部から冷却水に伝達された熱量を算出して、レーザ出力値を得ている。このような水冷パワーダンパー方式のレーザ出力計は、数１０ｋＷまでの大出力レーザについても出力測定が可能であるとされ、炭酸ガスレーザの出力計として広く用いられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００２−２１４０３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１のパワーダンパー方式では、水温を２箇所で測定し、流量を１箇所で測定する必要があるため、計３個のセンサが必要で、システムが高価になるという問題点がある。また、冷却水に関しては、ポンプモータの回転数およびフィンや弁の数に起因して、その流量が変動する。一方、流量の変化が温度差に反映されるには、熱伝導に要する時間遅れが発生する。よって、流量の変動により、温度差の測定に誤差が発生する。この発明はこれらの点を鑑みなされたもので、安価な構成で、測定精度の高いレーザ出力測定を実現することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明に係るパワーダンパーは、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ものであり、特に、通常は使用しない位置である前記受光体と前記ケースとの取付け部に断熱体を備えていることが特徴である。【０００９】
また、この発明に係るレーザ出力計は、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有するものである。【００１０】
また、この発明に係るレーザ出力測定方法は、前記パワーダンパーを用いて、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、レーザを一定期間発振させる第２の工程、前記受光体の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、およびレーザ発振時間をもとに前記変換手段でレーザ出力値を算出する第４の工程、前記レーザ出力値を出力または表示する第５の工程からなるものである。【００１１】
また、この発明に係るレーザ出力監視システムは、前記レーザ出力計を用い、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、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ものである。
【発明の効果】
【００１２】
この発明のパワーダンパーによれば、断熱体を配したことにより、受光体から伝熱する経路を、冷却水との接触面のみとしたことにより、受光体が得た熱量を、受光体の温度のみで測定できる。よって、温度測定手段１個のみで、安価にレーザ出力を測定できる。また、ケース等への熱損失がないので、精度良くレーザ出力を測定できる。【００１３】
また、この発明のレーザ出力計によれば、パワーダンパーの温度変化をレーザ出力に変換する変換手段の追加のみで、パワーダンパーを用いて出力測定が可能となるため、安価にレーザ出力計が構成できる。また、共振器ミラーの調整において、減衰手段等を必要としない絶対出力が使用可能になる。つまり、絶対出力を用いたリアルタイム調整ができるため、正しく調整できる。さらに、レーザ出力モニターに使用される「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。【００１４】
また、この発明にかかるレーザ出力測定方法によれば、照射時間を制御することで、パワーダンパーの受光体の表面破壊を防ぐ。冷却水を止めることで、受光体と冷却水の接触面を断熱状態にでき、かつ、受光体と冷却水の和となる熱容量を小さくでき、受光体の温度変化量を大きくできる。つまり信号強度が大きいので、照射期間の平均パワーを精度良く測定可能である。【００１５】
また、この発明にかかるレーザ出力監視システムによれば、メンテナンス内容、部品、時期が事前にわかるため、部品供給メーカにおいては、必要な時期に部品を生産供給できる。よって、生産計画が立てやすく、余剰在庫等の発生がない。また、発振器使用者においては、メンテナンス時期がわかるため、発振器の使用計画が立ち、有効にレーザ発振器が使用可能である。メンテナンス部品の納入待ち等が発生しないので、発振器の実質的稼働率が向上する。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】この発明の実施の形態１に係るパワーダンパーの概略図と、このパワーダンパーを用いたレーザ出力計の構成図と、さらにこのレーザ出力計を用いた、レーザ出力監視システムの構成図である。
【図２】この発明のレーザ出力測定方法を示すフローチャートである。
【図３】この発明のレーザ出力測定方法の信号変化を説明するタイムチャートである。
【図４】この発明の精度向上法を説明する温度変化の棒グラフである。
【図５】この発明の実施の形態２に係るパワーダンパーの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
実施の形態１．
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。
【００１８】
［パワーダンパー］
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。
【００１９】
前記受光体１の受光面である内面１ａは、レーザ光の吸収率をよくするために、表面処理を施すことが望ましい。例えば、レーザ光Ｌとして、ＣＯ２レーザなどの１０μm程度の赤外波長を使用する時は、アルマイト表面処理を施し、９９％以上のレーザ光吸収率を実現する。また、熱吸収による熱歪み破壊を防ぐために、表面のエネルギー密度を下げる目的で、レーザ光Ｌが斜入射となるように、その形状を設計する。その目的で、図1では、受光体１を内面円錐形としている。
【００２０】
［レーザ出力計］
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。
【００２１】
［レーザ出力監視システム］
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。
【００２２】
レーザ出力監視システム８０における変換手段２１は、パワーダンパー６の冷却水の温度測定手段３３の出力信号（水温測定値）と、気温の測定手段３４の出力信号（気温測定値）とを用いて、レーザ出力値を補正する。変換手段２１のレーザ出力値を出力または表示する出力・表示手段７５は、その出力方法としては、電圧増幅回路による電圧出力やＡ／Ｄ変換してのデジタル出力などであり、表示としては、安価な指針計やデジタルメータなどである。レーザ出力の出力・表示手段７５の信号、つまり、レーザ出力値を記憶する記憶手段８１は、通常はＮＣまたはパソコンのメモリであるが、バーコードなどの印刷物、さらには、手書きの数表やマークシートなどでもよい。なお、測定するレーザ出力の設定値が毎回同一でない場合は、その設定値も記憶する。
【００２３】
記憶手段８１に記憶されたレーザ出力値の変化の演算手段８２は、記憶した複数のレーザ出力値の読み出し、および出力値の差分演算を行う。読み出しは記憶手段８１に対応してなされ、メモリへのアクセス回路、バーコードリーダ、光学的読み取り装置などによる。メンテナンス内容を決める選定手段８３は、演算手段８２の信号（レーザ出力値の変化）と、内部のデータベース（出力変化とメンテナンス内容の実績データ群）と比較し、発振器のメンテナンス内容を決めるもので、１回の変化のみでなく、変化の履歴も含めて選定を行う。選定手段８３の出力を受けてメンテナンス部品とメンテナンス時期を通知する通知手段８４を備えている。この通知は、ＮＣ画面、シーケンサの表示端末など、パソコンの画面などに表示するか、または印刷出力する。さらに、ＬＡＮやインターネット回線にて、発振器の管理部門、発振器のメンテナンス部品供給メーカなどへ通知してもよい。
【００２４】
［パワーダンパーの動作］
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。
【００２５】
このような伝熱経路により、受光体１の温度は、レーザ光Ｌからの入熱と、冷却水への伝熱とが釣り合う温度になる。一方、冷却水の温度は、レーザ発振前の、つまり、受光体１がまだレーザを受光していない時の受光体の温度と等しい。よって、レーザが発振する前後の受光体１の温度を温度測定手段５ａ、５ｂで測定すれば、温度測定以前に既知である、
（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。
【００２６】
さて、温度測定手段５ｂは、レーザ光Ｌの受光体１の裏である外面１ｂに取り付けてある。この位置では、レーザ光Ｌの強度の影響を強く受けるため、より正確な測定が可能となる。しかし、レーザ光Ｌの照射に位置変動がある場合は、その影響を受けることにもなる。また、水路２中での設置となるため、信号の取り出しに水密の工夫が必要になる。温度測定手段５ａは、断熱体４近傍の受光体１の内面１ａに取り付けてある。この位置は照射面から遠いため内面１ａに設置でき、信号の取り出しに水密等の工夫が必要なく、簡易な配線が可能である。また、レーザ光の位置変動に対しては影響を受けにくい。一方、強度変化に対して熱伝導の時間遅れが発生する。
【００２７】
このように、この発明のパワーダンパー６は、受光体１とケース３との熱伝達を断熱体４にて遮断したことにより、伝熱が、水路２との接触面のみとなるため、受光体１の温度を温度測定手段５で測定するだけで、レーザ出力の測定が可能となる。
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。
【００２８】
［レーザ出力計の動作およびレーザ出力測定方法］
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。
【００２９】
先ず、受光体１の、水路２との接触面積Ｓを求める。この接触面積Ｓは、測定ではなく、受光体１の部品図から幾何学計算により簡単に求められる。次に、その面での熱伝達率ｋを温度Ｔの関数として求める。熱伝達率ｋは、通常の冷却水温度と接触面温度（０℃〜５０℃の範囲）の範囲ではおおよそ線形関数である。なお、整流または流乱による差異は大きいが、通常の冷却ポンプの流れ変動内では、この２者間で変動することはない。そこで、変換係数ｈ（Ｔ）を
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。
【００３０】
次に、レーザ出力が０Wの時の温度、すなわち、レーザ発振がＯＮする直前の温度Ｔ０を入力する。
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。
【００３１】
このレーザ出力計２０でのレーザ出力の測定は十分簡単、安価に実現できる。しかし、冷却水が常に流れているため、温度上昇幅が小さくなり測定精度が十分には得られない場合がある。たとえば、２ｋＷのレーザ出力で、３Ｌ／ｍｉｎの冷却水では１０℃の温度上昇である。温度を０．５℃の精度で測定すれば、レーザ出力値は５％程度の測定精度になる。
【００３２】
次に、さらに測定精度を向上するための温度上昇幅を拡大できるレーザ出力計とレーザ出力測定方法に関して、図１、図２のフローチャート、および図３のタイムチャートにより説明する。
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）。
【００３３】
図２の工程１では、受光体１の温度が冷却水の温度に等しくなった段階で、測定の制御手段３０の指令で、流水遮断手段３１が冷却水を止める（図３（ａ）の冷却水ＯＦＦ）。そのとき、初期温度Ｔ０を温度測定手段５ａまたは５ｂにて測定する。このときの受光体１の初期温度Ｔ０は、冷却水の温度でもある。
【００３４】
図２の工程２では、測定の制御手段３０の指令で、レーザ発振の制御手段３２が、レーザ発振器１０を一定時間レーザ発振させる（図３（ｂ）の発振ＯＮから発振ＯＦＦ）。この発振時間は発振時間の測定手段２２にて正確に測定され、変換手段２１に入力される。
【００３５】
図２の工程３では、発振が停止した後に現れる受光体１の最大温度Ｔ１を温度測定手段５ａおよび５ｂで測定する（図３（ｃ）のａは温度測定手段５ａの温度、ｂは温度測定手段５ｂの温度）。発振停止から最大温度に達するまでの遅れは、受光体１の熱容量と伝熱による時間遅れである。よって、照射位置に近い５ｂが伝熱終端部である断熱体４近傍の５ａより早く最大温度に達し、かつ、上昇幅も大きくなる。
【００３６】
図２の工程４では、変換手段２１が、温度上昇幅（Ｔ１−Ｔ０）と受光体１の熱容量Ｃqとレーザの発振時間ｔにより、レーザ照射中の平均出力値を以下の式で算出する。
平均出力値＝Ｃq*（Ｔ１−Ｔ０）／ｔ
【００３７】
図２の工程５では、レーザ出力の出力・表示手段７５が、レーザ出力値を出力または表示する。例えば、１ｋｇのアルミ製の受光体に、２ｋＷレーザ出力を２０秒照射すれば、アルミの比熱が０．８８Ｊ／ｇ／℃であるから、温度上昇幅は約４５℃となり、流水の場合よりも４．５倍も測定精度が向上する。
【００３８】
なお、工程２の照射時間は、受光面である内面１ａの温度歪み破壊が発生しない程度に十分低く、レーザ出力への変換手段２１の入力範囲仕様の９０％程度の温度になるように設定する。測定では、信号に必ずノイズが混入する。また、演算処理する前段階に信号をＡ／Ｄ変換する場合は、Ａ／Ｄ変換の１ビットに相当する分割幅が存在する。このノイズ強度および分割幅が、測定の分解能を決める。分解能は通常測定系によって一定であるから、信号強度を大きくすれば、測定精度は向上する。
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。
【００３９】
この精度の向上に関し、図4により詳細に説明する。測定分解能が「１」の場合、信号強度が「１１」と「５」では、測定精度は前者が9%(=1/11)、後者は20%(=1/5)となる。「１１」の方が約2倍精度良く測れたことになる(図4(a))。測定分解能が良くて、「0.0１」の場合、信号強度が「１１.98」と「５.01」では、測定精度は前者が0.083%(=0.01/11.98)、後者は0.2%(=0.01/5.01)となる。この場合の約「１１」の「11.98」の方が約2倍精度良く測れたことになる(図4(b))。分解能が異なっても、信号強度が2倍であれば、測定精度は2倍良くなる。つまり、測定精度を向上させるには、信号強度を大きくすればよい。しかし、このとき、信号強度が測定系の入力範囲を超えたら測定不可能になるため、入力範囲仕様の９０％程度に設定すれば、測定系の性能を十分に発揮できることになる。
【００４０】
なお、工程３終了後はパワーダンパー６の温度を通常時に戻すため、流水遮断手段３１にて、遮断を停止し、水路２に冷却水を流す。
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。
【００４１】
［レーザ出力監視システムの動作］
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。
【００４２】
以下、具体的な動作を説明する。
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。
【００４３】
今回のレーザ出力の測定値と、前回や同一メンテナンス毎の記憶した測定値とを用いて演算手段８２にてレーザ出力の変化を算出する。そして、メンテナンスの選定手段８３にて、変化値をメンテナンス内容のデータベースに照合し、メンテナンス内容を選定する。もちろん、メンテナンス不要の判断もあり得る。決まったメンテナンス内容（必要なメンテナンス部品とその時期）を通知手段８４にて、ユーザである使用者、発振器管理部門担当者に通知する。また必要によって、直接メンテナンス部品メーカにも通知する。
【００４４】
このシステムによれば、メンテナンス内容、部品、時期が事前にわかるため、部品供給メーカにおいては必要な時期に部品を生産供給できる。よって、生産計画が立てやすく、余剰在庫等の発生がない。また、発振器使用者（多くの場合レーザ加工機使用者）においては、メンテナンス時期がわかるため、発振器の使用計画が立ち、有効に使用可能である。メンテナンス部品の納入待ち等が発生しないので、発振器（レーザ加工機）の実質的稼働率が向上する。
【００４５】
なお、データベースはメンテナンス内容の選定手段８３に内蔵してもよいが、インターネット回線にて発振器メーカやメンテナンス部品メーカのデータベースを活用してもよい。インターネット上の各メーカのデータベースは、通知手段８４にて各種データ（レーザ出力測定値、出力設定値、直前のメンテナンス内容、日時、実際のメンテナンス内容など）の収集が容易で、そのデータ数は膨大で、かつ最新のものとなる。よってこのデータベースの活用が最も信頼性が高くなる。
【００４６】
実施の形態２．
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。
【００４７】
［パワーダンパー］
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。
【００４８】
［レーザ出力計］
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。
【００４９】
このように、この発明によるパワーダンパーを用いたレーザ出力計は、従来例と比較して以下のような構成の差がある。
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。
【００５０】
以上、この発明を実施の形態により説明したが、この発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形または省略することが可能である。
【符号の説明】
【００５１】
１  受光体、１ａ  受光体の内面、１ｂ  受光体の外面、２  水路、  
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。
【図１】
2014050859.tif 000003
【図２】
2014050859.tif 000004
【図３】
2014050859.tif 000005
【図４】
2014050859.tif 000006
【図５】
2014050859.tif 000007
【手続補正書】
【提出日】平成27年9月15日(2015.9.15)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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。
【請求項２】
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。
【請求項３】
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。
【請求項４】
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。
【請求項５】
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。
【請求項６】
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。
【請求項７】
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８】
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。
【請求項９】
請求項３または４に記載のレーザ出力計に用いられるパワーダンパーであって、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ことを特徴とするパワーダンパー。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００８】
この発明に係るパワーダンパーは、請求項３または４に記載のレーザ出力計に用いられるパワーダンパーであって、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ものである。 
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００９】
また、この発明に係るレーザ出力計は、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るか、または、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ものである。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１０】
また、この発明に係るレーザ出力測定方法は、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の工程からなるものである。 
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１１】
また、この発明に係るレーザ出力監視システムは、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ものである。
【手続補正書】
【提出日】平成28年3月1日(2016.3.1)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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。
【請求項２】
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。
【請求項３】
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。
【請求項４】
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。
【請求項５】
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。
【請求項６】
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。
【請求項７】
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８】
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。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００８
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００９】
この発明に係るレーザ出力計は、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るか、または、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ものである。
【国際調査報告】
2014050859.tif 000008
2014050859.tif 000009
2014050859.tif 000010
2014050859.tif 000011