(57)【要約】【課題】小型かつ製作が容易で、冷却用の装置や経路を必要とせず、短時間での高い繰り返し測定精度を確保するレーザ出力測定装置を得る。【解決手段】レーザ出力測定装置１０は、レーザ出力測定装置本体１１と信号経路１２より構成されている。レーザ出力測定装置本体１１には、レーザ光１３の受光部１４より外周側にレーザ光１３の光軸と平行に貫通部である穴１５が複数個設けられている。レーザ出力測定装置本体１１の内部に具備した温度センサによりレーザ出力測定装置本体１１の温度を測定し、信号経路１２より取り出すように構成されている。【選択図】図１
2009216443.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ出力を測定するレーザ出力測定装置において、レーザ光を受光する受光部と、上記受光部の周囲に設けられた複数の貫通部と、上記受光部の温度を検出する温度検出手段と、を備えたことを特徴とするレーザ出力測定装置。
【請求項２】
上記複数の貫通部がレーザ光の光軸と平行であることを特徴とする請求項１に記載のレーザ出力測定装置。
【請求項３】
レーザ出力を測定するレーザ出力測定装置において、レーザ光を受光する受光部と、上記受光部の周囲に設けられた複数のフィンと、上記受光部の温度を検出する温度検出手段と、を備えたことを特徴とするレーザ出力測定装置。
【請求項４】
上記複数のフィンがレーザ光の光軸と平行であることを特徴とする請求項３に記載のレーザ出力測定装置。
【請求項５】
レーザ出力を測定するレーザ出力測定装置において、レーザ光を受光する受光部と、上記受光部の周囲に設けられた多孔質金属と、上記受光部の温度を検出する温度検出手段と、を備えたことを特徴とするレーザ出力測定装置。
【請求項６】
レーザ出力を測定するレーザ出力測定方法において、レーザ光を受光する受光部にレーザ加工で使用するアシストガスを噴射して測定することを特徴とするレーザ出力測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、レーザ出力を測定するレーザ出力測定装置及びレーザ出力測定方法に係り、とりわけレーザ加工機における大出力レーザの出力測定ができるレーザ出力測定装置及びレーザ出力測定方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
レーザ加工機には、様々な材質あるいは板厚に対し、高速かつ高品質な加工が求められている。このような要求を満足するため、大出力レーザを使用することで高速加工を実現すると共に、それぞれの加工条件に最適な強度のレーザを出力することで高品質加工を実現している。ところで、最適な強度のレーザ出力を得るためには、正確にレーザ出力を校正する必要があり、そのために大出力レーザの出力を正確に測定することが求められる。
【０００３】
従来から、レーザ出力の測定方法としては、レーザ光の照射による測定部の加熱現象を利用した熱的計測方法と、レーザ光の照射による測定部からの電子の放出現象（光電効果）を利用した光計測方法とが知られている。これらの方法のうち、大出力レーザの出力測定には熱的計測方法が適しており、現在市販されている大出力レーザ用の出力測定装置の多くもこの方法が採用されている。しかし、一般的にレーザ出力測定装置の測定精度は、レーザ加工機に求められる出力精度より悪く、そのためレーザ出力を繰り返し測定し、その平均値を採用することで測定精度を向上させている。
【０００４】
レーザ出力測定装置の繰り返し測定精度は、レーザ出力測定装置の測定開始時温度に大きく依存する。つまり高い繰り返し測定精度を得るためには、測定開始時におけるレーザ出力測定装置の温度のばらつきを抑える必要がある。短時間でレーザ出力測定装置の温度のばらつきを抑えるためには、レーザ出力測定装置の冷却性を上げれば良いことが知られており、そのため、従来のレーザ出力測定装置の側面には、レーザ光に直行する方向に複数個のフィンが設けられており、この複数個のフィンによって広い表面積を確保していた。しかし、大出力レーザの出力測定においては、レーザ出力測定装置の温度が高温になり、広い表面積の確保だけでは十分な冷却性能を得ることが困難であった。
【０００５】
そこでレーザ出力測定装置の内部に水等の流体を循環させて冷却することにより、レーザ出力測定装置の温度のばらつきを抑制し、高い繰り返し測定精度を得る技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
【特許文献１】特開平１１―１４４５０号公報（要約の欄、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記特許文献に開示されたレーザ出力測定装置にあっては、水等の流体を循環させるための密閉された空間が内部に必要であり、レーザ出力測定装置が大型化すると共に、高い加工精度、組立精度が求められて製作に困難性を極めていた。更に、水等の流体を冷却、循環させるための装置や経路が別に必要になるという課題があった。
【０００８】
この発明は、上記の課題を解決するためになされたもので、小型かつ製作が容易で、冷却用の装置や経路を必要とせず、短時間での高い繰り返し測定精度を確保するレーザ出力測定装置及びレーザ出力測定方法を得るものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この発明によるレーザ出力測定装置は、レーザ光を受光する受光部と、上記受光部の周囲に設けられた複数の貫通部と、上記受光部の温度を検出する温度検出手段とを備えたものである。
【００１０】
また、別の発明によるレーザ出力測定方法は、レーザ光を受光する受光部にレーザ加工で使用するアシストガスを噴射して測定するものである。
【発明の効果】
【００１１】
この発明によるレーザ出力測定装置によれば、小型かつ製作が容易なレーザ出力測定装置が実現できる。
【００１２】
また別の発明によるレーザ出力測定方法によれば、効率的な冷却による短時間での高い繰り返し測定精度を確保できるレーザ出力測定方法が実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、この発明によるレーザ出力測定装置及びレーザ出力測定方法の好適な実施の形態について図面を参照して説明する。なお、これらの実施の形態によってこの発明が限定されるものではない。
【００１４】
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１によるレーザ出力測定装置を示す斜視図であり、図２は図１に示すレーザ出力測定装置の上面図である。
レーザ出力測定装置１０は、レーザ出力測定装置本体１１と後述する信号経路１２より構成されている。レーザ出力測定装置本体１１には、レーザ光１３の受光部１４より外周側にレーザ光１３の光軸と平行に貫通部である穴１５が複数個設けられている。なお、穴１５を受光部１４より外周側に設けることにより、全てのレーザ光１３をレーザ出力測定装置本体１１で受光可能となる。
【００１５】
そして、レーザ光１３を照射すると、レーザ出力測定装置本体１１の温度は上昇することになるが、この上昇した温度を、レーザ出力測定装置本体１１の内部に具備した温度検出手段である温度センサ（図示せず）で測定し、信号経路１２より取り出すように構成されている。なお、この信号は、温度センサがバイメタルであれば金属の変形量であり、熱電対や測温抵抗体、測温ＩＣなどであれば電気信号になる。
【００１６】
実施の形態１によるレーザ出力測定装置は上記のように構成されており、次にこのレーザ出力測定装置１０を用いたレーザ光１３の出力測定方法について説明する。
一例として、レーザ出力測定装置本体１１の材料を１ｋｇのアルミニウムとし、３ｋＷのレーザ光１３を２０秒間照射するものとする。このとき、レーザ光１３の照射による熱量は、次の（１）式のように算出される。
３ｋＷ×２０秒＝６０ｋＷ・ｓ=６０ｋＪ・・・・・・（１）
【００１７】
レーザ出力測定装置本体１１の材質であるアルミニウムの比熱は０．９０５ｋＪ／ｋｇ・Ｋであり、レーザ光１３の照射によるレーザ出力測定装置本体１１の上昇温度は、熱量÷質量÷比熱で算出されるので、次の（２）式のようになる。
上昇温度＝６０ｋＪ÷１ｋｇ÷０．９０５ｋＪ／ｋｇ・Ｋ＝６６．３Ｋ・・・（２）
周辺大気へ移動する熱の影響については後述するとして、実際の測定において、レーザ出力測定装置本体１１の材質と質量が既知であり、よって比熱と質量より上昇温度を出力値に換算できることになる。この方法によりレーザ光１３の出力測定ができる。
【００１８】
次に、レーザ出力測定装置１０の測定精度について説明する。前述のように、レーザ加工機は高い加工品質を得るため、正確にレーザ出力を校正する必要がある。そのためレーザ出力測定装置１０には、レーザ光１３の出力を正確に測定することが求められる。しかし、上昇温度をアナログ表示器で確認する場合は読み取り誤差が生じ、ディジタル表示器で確認する場合はレーザ加工機からの強いノイズにより電気信号に誤差が生じるため、レーザ出力測定装置１０の測定精度は悪い。つまりレーザ出力測定装置１０の測定精度は、レーザ加工機に求められる出力測精度より悪いことになる。そのため、レーザ出力を繰り返し測定してその平均値を採用する必要がある。
【００１９】
次に、レーザ出力測定装置１０の繰り返し測定精度について説明する。レーザ出力測定装置１０の繰り返し測定精度は、レーザ出力測定装置本体１１の測定開始時における温度のばらつきに大きく依存している。その理由は次の通りである。
ニュートンの冷却の法則より、単位時間に固定壁面より流体へ移動する熱量は、壁と流体との温度差に比例し、かつ壁の表面積にも比例することが知られている。つまり、出力測定にて上昇する温度の到達値が高いほど周辺大気との温度差は大きくなり、大気へ移動する熱量が多くなる。そのためレーザ出力測定装置本体１１の測定開始時の温度がばらついていれば、到達温度の違いにより大気へ移動する熱量が変化し、その結果上昇温度、つまりレーザ光１３の出力測定に誤差が生じる。逆に同じ温度から測定を開始すれば、繰り返し測定精度は高くなる。
【００２０】
短時間で高い繰り返し測定精度を得るためには、レーザ出力測定装置本体１１を強制的に冷却すればよい。ニュートンの冷却の法則より、レーザ出力測定装置本体１１の表面積を広くし、レーザ出力測定装置本体１１と周辺大気との温度差を大きくすることで効率よく冷却することができる。
【００２１】
ここで、レーザ加工機には、レーザ加工の効率上昇やレーザ加工時に発生する材料溶融物を吹き飛ばす目的で、アルゴン、窒素、加工目的によっては酸素などのガスを噴射する機能がある。このガスをアシストガスと呼び、レーザ光１３と同軸に噴射できる。冷却時にアシストガス１６をレーザ出力測定装置本体１１に向けて噴射することで、レーザ出力測定装置本体１１と周辺大気との温度差が大きくなり、効率的な冷却が可能となる。
【００２２】
さらに、アシストガス１６とレーザ出力測定装置本体１１とが接する表面積を広くすることで、より効率的な冷却が可能となる。アシストガス１６が接する表面積を広くするため、前述のように、レーザ光１３と平行にレーザ光１３の受光部１４より外周側に穴１５を複数個設けている。
【００２３】
冷却時のアシストガス１６の流れを示したのが図３である。まずアシストガス１６を受光部１４に向けて噴射する。受光部１４には穴１５が無いため、噴射されたアシストガス１６はレーザ出力測定装置本体１１の上面を円周方向に広がるように流れる。アシストガス１６の一部は、符号１６ａで示すように、穴１５を通りレーザ出力測定装置本体１１の下面に抜けていく。他のアシストガス１６は、符号１６ｂで示すように、レーザ出力測定装置本体１１の上面において穴１５の間を通り、そのままレーザ出力測定装置本体１１の側面に達し、側面より下面に抜けていく。
【００２４】
このように、穴１５を複数個設けることで、アシストガス１６が接する表面積が広がり、より効率的な冷却が可能となる。また、高い繰り返し測定精度を得るためには、レーザ出力測定装置本体１１の測定開始時温度のばらつきを抑える必要がある。穴１５を複数個設けると共に、アシストガス１６を噴射することで効率的な冷却が実現し、測定開始時温度までの冷却時間が短縮する。この冷却時間の短縮により、短時間での測定開始時温度のばらつきを抑え、短時間での高い繰り返し測定精度が得られることになる。
【００２５】
上記のように、実施の形態１によるレーザ出力測定装置１０は、レーザ出力測定装置本体１１と複数個の穴１５、温度センサ、信号経路１２の単純な構成で実現でき、小型かつ製作が容易となる。また、繰り返し測定時にレーザ出力測定装置本体１１にレーザ加工で使用するアシストガス１６を噴射して冷却するため、冷却用の装置や経路を必要とせず、効率的な冷却による短時間での高い繰り返し測定精度を確保する測定方法を得ることができる。
【００２６】
実施の形態２．
次に、実施の形態２によるレーザ出力測定装置について図４により説明する。実施の形態２によるレーザ出力測定装置４０は、レーザ出力測定装置本体４１のレーザ光の受光部４２より外周側にレーザ光と平行に複数個のフィン４３を設けたものである。なお、その他の構成並びに測定方法については実施の形態１と同様であり、説明を省略する。
【００２７】
この実施の形態２によるレーザ出力測定装置４０によれば、実施の形態１と比較し、レーザ出力測定装置本体４１の外形が同じでも、より広い表面積を確保することが可能となり、高い冷却能力を得ることができる。
【００２８】
実施の形態３．
次に、実施の形態３によるレーザ出力測定装置について図５により説明する。実施の形態３によるレーザ出力測定装置５０は、レーザ出力測定装置本体５１のレーザ光の受光部５２より外周側にレーザ光と平行に溝５３を設けたものである。なお、その他の構成並びに測定方法については実施の形態１と同様であり、説明を省略する。
【００２９】
この実施の形態３によるレーザ出力測定装置５０によれば、実施の形態１と比較し、レーザ出力測定装置本体５１の外形が同じでも、より広い表面積を確保することが可能となり、高い冷却能力を得ることができる。
【００３０】
実施の形態４．
次に、実施の形態４によるレーザ出力測定装置について図６により説明する。実施の形態３によるレーザ出力測定装置６０は、レーザ出力測定装置本体６１のレーザ光の受光部６２より外周側に多孔質金属６３設けたものである。ここで多孔質金属６３とは、焼結金属や発泡金属、金属不織布、さらには巣を多く含んだ鋳物などのことである。なお、その他の構成並びに測定方法については実施の形態１と同様であり、説明を省略する。
【００３１】
この実施の形態４によるレーザ出力測定装置６０によれば、実施の形態１と比較し、レーザ出力測定装置本体６１の外形が同じでも、より広い表面積を確保することが可能となり、高い冷却能力を得ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
この発明によるレーザ出力測定装置及びレーザ出力測定方法は、様々な材質あるいは板厚に対し、高速かつ高品質な加工が求められる大出力レーザ加工機のレーザ出力測定装置及び測定方法に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】この発明の実施の形態１によるレーザ出力測定装置を示す斜視図である。
【図２】この発明の実施の形態１によるレーザ出力測定装置を示す上面図である。
【図３】この発明の実施の形態１によるアシストガスの流れを示す斜視図である。
【図４】この発明の実施の形態２によるレーザ出力測定装置を示す上面図である。
【図５】この発明の実施の形態３によるレーザ出力測定装置を示す上面図である。
【図６】この発明の実施の形態４によるレーザ出力測定装置を示す上面図である。
【符号の説明】
【００３４】
１０，４０，５０，６０  レーザ出力測定装置
１１，４１，５１，６１  レーザ出力測定装置本体
１２  信号経路
１３  レーザ光
１４，４２，５２，６２  レーザ光の受光部
１５  穴
１６  アシストガス
４３  フィン
５３  溝
６３  多孔質金属
【図１】
2009216443.tif 000003
【図２】
2009216443.tif 000004
【図３】
2009216443.tif 000005
【図４】
2009216443.tif 000006
【図５】
2009216443.tif 000007
【図６】
2009216443.tif 000008