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(2) 山田 ・小 谷 ・上田:CO2レ. ーザ加工における照射 部温度 と吸収率. 光 カ プ ラ を作 る こ とが で きない カ ル コゲ ナ イ ドファ イバ を用 いて2色 温 度 計 を製作 す る こ とが可 能 とな る. 温 度計 の 出力校 正 は,一定 温度 に保 た れ た熱 源 の温度 を測定 す る こ とで行 った.温 度計 の校 正 曲線 を 図1(b)に. 示 す.図 中 の実線 は理. 論 的 に求 め た温 度 計 の感 度 曲線 で あ り,輻射 エ ネ ル ギー,光 フ ァイバ の伝 送損 失,InAsお. よびInSb素 子 の分 光 感度 な どか ら得 られ る4).約. 200℃ 以 上 に お いて,実 験値 は理 論 値 と よい一 致 が見 られ てお り,温 度 校 正 に は この 曲線 を用 い るこ とにす る. 2.1.2受 光 エ ネル ギ ー 2色 温度 計 は,測 定 対 象面 内 に温 度 分布 が あ る場 合,測 定 結果 はそ の分 布 状態 に影 響 され る.そ こ で,レ ーザ 照 射 部 を2色 温 度計 で測 定 (a) Transmission loss of chalcogenide fiber. した場 合 の測 定 温 度 につ い て検 討 す る. 図3に 示 す よう に,測 定 距 離tに 設置 され た フ ァ イバ が 受光 す る輻 射 エ ネル ギ ー は,微 小 要 素dFが 受 光 す るエ ネ ル ギー を フ ァイバ の コ ア面 全 体 に わ た って 積分 す るこ とに よ って,求 め る こ とが で きる.こ こで は,レ ー ザ照 射 部 の温 度T(r)はOtを. 中心 に軸 対称 に分布 してお. り,光 フ ァイバ の 中心 軸 がOtを 通 り,照 射 面 に対 して θだけ傾 いて 設 置 され て い る とす る. コ ア上 の微 小 面 積dFは,O. 2を 中心 と し最 大 受光 角 ξmで 囲 まれ る 楕 円領 域 か らの 輻射 エ ネル ギ ー を受 光す る.こ の領域 内 の微 小 要 素df か ら輻 射 され るエ ネル ギー の 内,dFに (b) Spectral detectivity of two-color detector Fig.2. Spectral characteristics of components of pyrometer. れた伝 送 特性 を持 つ た め,石 英 フ ァ イバ よ り長 波長 の赤 外 線 を伝 送 す. eλ=J(T)COSγCOSθdfdΩ(1) た だ し,こ こでJ(T)は. 法 線 方向 へ の 単色 輻 射 強度 で あ る.ま た,. dΩ はdfか らdFを 見 た ときの 立体 角 で,d. る こ とが で き,低 温 にお け る温 度 計 の 感 度 向 上 に期 待 が もて る.ま た,CO,レ ー ザ光 の 波長10.6pmに. 受 光 さ れ るエ ネ ルギ ーeλは. Ω=dFcosγ/R2. お い て 透 光 率 が 低 い こ とか らフ ィ. ル タ と して働 き,レー ザ照 射 部 か ら反 射 され た 光が 光 電 変換 素子 へ 伝 送 され るの を阻止 す る役 目を同 時 に果 た して い る.. とこ ろが 図3の よ うに,dfの. 光 フ ァイバ に よ って受 光 した熱 輻 射線 は2色 素子(浜 松 ホ トニ ク ス (株))へ 伝 送 され電 気信 号 に変 換 され る.図2(b)に を構 成す るInAs素 子,InSb素. 積層 型2色 素 子. 子 そ れ ぞれ の分 光 感 度 を示す,InSbの. df=R'2cosθ/R2df'(3). 上 にInAsを 積 層 した構 造 とな って お り,表 層 のInAsを 透過 した赤 外 線 が 下層 のInSbに 受 光 され る.InAsは3μm以 て電気 信 号 に 変換 し,下 層 のInSbはInAsを. 下 の赤 外 線 を吸 収 し 透 過 した赤 外 線 の うち,. 従 っ て,式(1)に. 式(2),(3)を. 3〜5.5μmの 赤外 線 を電気 信 号 に変 換 す る.各 々の 素 子 か らの 出力 は 増 幅後,サ ンプ リング周 波 数1MHzで デ ィ ジ タル メモ リに記録 され, コ ン ピュー タ に よ り処 理 され る.積 層 型2色 素 子 の使 用 に よ り,1本 の 光 フ ァ イバ を用 いて2色 温度 計 を構成 す る こ とがで き,これ に よ り. フ ァイバ 端 面 に平 行 な面 へ の投 影df. を考 える と,. 代 入 す る と,. eλ=J(T)cos2γ/R'2dFdf'げ(1') 式(1')をdf,dFに. つ い て積 分 す れ ば,光 フ ァイバ の コ アが受 光 す る. 単色 エ ネ ル ギ ー尾 が 得 られ,尾 を全 波 長 につ いて 積分 す れ ば全 色 エ ネ ル ギーEが 求 め られ る.. E=∫λEdλ=∫λ∫f'∫J (T)cos2γ/R'2dFdf'dλ(4) そ こで,具 体 的 な例 に式(4)を 適吊 してみ る.レ ーザ 光 を ジル コ こ ア に照 射 した ときの温度 分 布 を有 限要 素法 を用 い て計算 した結 果 を 図15(後. 述)に 示 してい るが,図 の よ うな 中心 部 が最 高 温度 とな る. Fig.4 Influence of measuring distance on temperature measured with twoFig.3 Illustration. of energy. accepted. at incidence. face of optical fiber. color pyrometer. 精 密 工 学 会Vol.65,No.1,1999127.
(3) 山田 ・小谷 ・上田:CO2レ. ーザ加工 における照射部温度 と吸収率. Fig.5. Measurement. of laser power. distribution at laser spot. 温 度 分布 を もつ 試料 に,本 温 度 計 を適用 した場 合 の測 定温 度 を式(4). 形 状 は測 定 した エ ネ ルギ ー分 布 図6(b)と. を用 い て計 算 して み た.測 定 距 離 の 影響 を調べ た結 果 を図4に 示 す.. ギー 分布 が 精 度 よ く測 定 され てい るこ とが確 か め られ る.図6(d)は. よ く一致 してお り,エ ネル. 測 定 温度 は,測 定 距 離tが 大 き くな る に した が い徐 々に低 下す るが,. 図6(b)に. t=3mm前 後 で 一 定値 に収 束す る傾 向 を示 してい る.こ れ らの値 はい ず. 布 で 近似 した結 果 であ る.. お け るA断 面 の エ ネ ルギ ー 分布 を式(5)に. 示 す ガ ウ ス分. れの 場 合 も試料 の 最高 温 度 の約7596の 値 とな っ てい る.し た が っ て, こ の2色 温度 計 を実験 に用 い る場 合,測 定 距 離tが3mm以. 〓 (5). 上となる. 位 置 に フ ァ イバ を設置 す れば測 定 距離 に関係 な く温度 計 測 が可 能 であ. こ こで,rは. り,そ の値 は最 高 温 度 の約7596で あ る こ とが わ か る.ま た,こ の割 合. はr=0に お け る レー ザ強 度,Qは. を用 い れ ば,得 られ た温 度 か ら精 度 よ く最 高 温度 を推 定す る こ とが で. aは 強 度 がqaの1/e倍(37%)と. きる り. 2.2レ. 図6(d)で ー ザ エ ネル ギ ー分 布 測 定. エ ネ ルギ ー分 布 測 定装 置の 概 略 図 を図5(a)に ザ ス ポ ッ トに 直径10μmの. 示 す.集 光 した レー. ピン ホー ル を設 置 し,ス ポ ッ ト内 のエ ネ. ピ ンホー ル を通 過 して きた レー ザ光 をフ ァイバ に よ って受 光 し赤外 線 検 出素 子HgCdTeへ. ス ポ ッ ト全 域 に わ た るエ ネル ギ ー, な る半 径 を表 す.. はQ=20W,8=400μmと. して い るが,若 干 の偏 りが. 認 め られ る もの の 両者 は よ く一 致 して お り,エ ネ ルギ ー 分布 を式(5). ルギ ーの 一 部 を取 り出 す.ピ ンホ ール の 直下 に光 フ ァイバ を固定 し,. 30Nmお. レー ザ ス ポ ッ ト中心 か らの距 離,α は レーザ 吸 収率,q0. と導 き,電 気 信 号 に変 換 す る.ピ. ンホールを. きに 二次 元 走査 し,各 部 での エ ネ ル ギー 強 度 を測 定 す る こ. で近 似 で きる こ とが わか る.な お,ス ポ ッ トの半 径 を示 す8の 値 は, レーザ エ ネル ギーQが 変 化 して も,変 動 しない と考 え られ るの で,Q の値 にか か わ らず8=400μmと 2.3温. す る こ とにす る.. 度測 定 実 験. レーザ 照 射部 の 温 度瀧. は,図1(a)に. 示 す よ う に測定 距 離t=5mm. の位 置 に光 フ ァイバ を設 置 して,照 射 時 間5msの パ ル ス レーザ を加工. とで,ス ポ ッ ト全 面 に お け るエ ネ ルギ ー 分布 を得 るこ とが で きる.光. 物 に照 射 す る条 件 で行 った.フ ァイバ は レーザ 光 を遮 らな い よ うに光. フ ァイ バ は,図2(a)に. 軸 に対 して150傾. 示 す分 光 透 過 特性 を有 す るNTEGカ. ル コゲ ナ. け て設 置 して い るが,2色. 温 度 計 で は2種 類 の赤. イ ドフ ァイバ を用 い てお り,CO2レ ー ザ光 の 波 長10.6μmに お い て 十. 外 線検 出 素子 の 出 力比 か ら温 度 を求め て い るの で,測 定 結 果 の精度 に. 分 な透 光 性 を持 っ てい る.ま た,最 小 曲 げ 半 径 は 約50mmで. は 影響 しない.な お,光 フ ァ イバ は その 光 軸が レー ザ ス ポ ッ トの 中心. あ り,. フ ァイバ の使 用 に よ り加 工装 置 上 の入 り組 ん だ箇所 か ら も容 易 に レー ザ エ ネ ル ギー を取 り出す こ とが で きる.HgCdTe素. 子 は,赤 外 線 の 入. に一致 す る位 置 に設 置 した. 加 工材 料 には部 分 安 定 化 ジ ル コニ ア(PSZ)を. 用 い,表 面 は#400ダ. 射 に よっ てそ の 電 気抵 抗 値 が減 少 す る 光 導電 素 子 で あ り,図5(b)に. イヤ モ ン ド砥 石 に よ る研 削仕 上 げ を施 した.表2に 常 温 に お け る加 工. 示 す よ うに,8〜14μmの. 材 料PSZの. 赤 外 線 に 対 して感 度 を有 し,応 答 速度 は1. μsと 速 く,照 射 時 間が 数msの パ ル ス レー ザ の照 射 エ ネ ル ギー の 測 定 に十 分適 用 す るこ とが で きる.. 物 性値 を示 す.. 図7に,レ. ーザ 出 力Q=40Wを. す.(a)はInSb素. 照 射 した 場 合 の温 度 測 定波 形 例 を示. 子 出力,(b)はInAs素. 子 出 力 を それ ぞ れ示 してお り,. パ ル ス レーザ の照 射 のエ ネ ルギ ーの 時 間的 変動 を測 定 した波形 を図. 横 軸 は 時 間,縦 軸 は出 力 電圧 を示 して い る,レ ーザ 光 の 照射 開始 と同. 6(8)に 示す.パ ル ス幅 は5msで あ る.出 力 は 照射 直後 に立 ち上 が り,. 時 に両 素子 の 出 力 は上 昇 して い るが,温 度 が 高 くな る につ れ,短 波 長. その 後周 期 的 な 変動 が 見 られ るが,そ の大 き さは問題 と な るほ どで は. にお い て検 出 感度 の高 いInAs素 子 の 出力 が急 速 に大 き くな っ てい る. な い.そ こで こ こで は 矩形 波 状 の パ ル ス入 力 とみ な し,照 射 時 間内 は. こ とが わ か る.こ れ ら両 素 子の 出力 比 を と り,図3(c)の. 均 一エ ネル ギ ー と して扱 う こ とにす る.測 定 したエ ネ ルギ ー の2次 元. 用 いて 温度 に換 算 した結 果 が 図7(c)で あ る.縦 軸 は測 定 温度 を示 し. 分 布 を図6(b)に. て い る.レ ーザ 照 射 直 後 は温 度 が 低 く輻射 エ ネル ギ ー が少 な いた め. 示 す.図 か ら,若 干 の凹 凸 や偏 りはあ る が,ほ ぼ 照. 校 正 曲線 を. 射 中心 部 に ピー ク を持 つ分 布 形 状 を してい る こ とが わ か る.図6(c). に,測 定 波 形 の 立 ち上 が りは照 射 開 始 時 よ り約2ms遅 れ るが,照 射 部. は レー ザ 光 を ア ク リル に照射 した場 合の バ ー ンパ ター ンであ る.その. の温 度 上昇 と と もに正確 な温度 測 定 が可 能 とな る.レ ーザ ス ポ ッ トの. Fig.6 Laser power. 128. 精 密 工 学 会 議Vol.65,No.1,1999. density at laser spot.
(4) 山田 ・小谷 ・上 田:CO2レ. Table 2. Physical properties. ーザ加 工における照射部温度 と吸収 率. 式(6)を 計 算 した 結 果 が図9で あ る.こ の と き,レ ー ザ吸 収. of PSZ. 率 αを40,60,80%と. し,材 料 の物 性 値 に は表2の 常 温(20℃). にお け る値 を用 い て計算 した.図9(a)は. 時 間変 化 を見 て い る. が,照 射 初 期 は急 激 に上 昇 す るが 時 間経 過 と と もに上 昇 の程 度 は 鈍 くな る傾 向 に あ り,図7の ま た,図9(b)は. 測 定 波形 と少 し異 な っ てい る.. 最 高 温度 であ るが,図8の. 実 験 結 果 と比 較 す. る と,レ ーザ 出 力 の上 昇 につ れ て,い ず れ も直 線 的 に上 昇 して い るが,実 験値 の図8の 方 が そ の傾 きが 大 きい.こ れ らの違 い に はい ず れ も温度 上昇 に伴 う材 料 の物 性 値 の変 化 や吸収 率 の変 化 を考 慮 してい ない こ とが 大 き く影 響 して い る と考 え られ る. そ こで,FEMに. よ り物 性 値 の 温度 依 存 性 を考 慮 した非 定 常熱. 伝 導 解析 を行 い,計算 結 果 と実 験 結果 を比較 す るこ とに よ って, 加 工 物PSZの. レー ザ吸 収 率 を 求 め る こ とに した.図10に. 示 すz. 軸 を中 心 と した軸 対称 モ デル を用 い てお り,要 素数228,節 数140で あ る.式(5)に. 点. 示 した ガ ウス 分布 エ ネ ルギ ーq(r)を. レーザ 照射 開始 か ら5msに わ た り熱 流 と して与 え,ス ポ ット全 域 に わ たる照 射 エ ネル ギ ーQは,温 て30〜50Wと. 度 測 定 実験 の 条 件 に合 わせ. した.な お,外 部 へ の熱 輻射,熱 伝 達 は な い もの. と した. 部 分 安定 化 ジ ル コニ ア(PSZ)の. 比 熱 と熱 伝 導 率 を図11に 示. す5).な お,密 度 ρは大 き く変 化 しな い ため,温 度 にか か わ ら ず 一定 値 ρ=5.9×103kg/m3と. した.. 図12に こ の解 析 の流 れ を示 す.PSZの Fig.8 Temperature at center of laser spot (Experimental results). Fig.7 Outputof two-colorpyrometer. レーザ 光 に対 す る吸収. 率 は,そ の 温度 依 存 性 を考 慮 し,各 要素 の 温 度 に よ って 変化 さ せ てい る.解 析 は レー ザ 出力Qの 低 い 条件 か ら始 め,段 階 的 に 高 温 度 とな る条 件 での 解析 を行 い,PSZの 吸 収 率 を求 め てい る. た とえ ばQ=30W,照. 射 時 間5msの 条件 下 で は,温 度 測定 実 験 か. らス ポ ッ ト中心 の 温度 は約730℃ に達 して い るの で,こ の 条件 下 の解析 解 と実 験 結果 との比 較 に よ り,常 温 〜730℃ に お け る 吸 収 率 を46%と 求 め た.次 いでQ=35Wの 実 験 結 果 の比 較 か ら,730‑1100℃. 条 件 下 で の解析 解 と. ま での吸 収 率59%を. 求めて. い る.こ の 過程 を繰 り返 し,2100℃ までの 吸 収 率 を 求め た 結果. (a) Temperature history at center(b) of laser spot Fig.9. Temperature at center of laser spot. Temperature at center of laser spot by analysis (Theoretical results). 大 きさ8及 び光 フ ァイバ の 設定 距 離t(測 定 距離)に. よ って測 定 可 能. な 下 限の 温 度が 異 な っ て くるが,今 回 のa=400μm,t=5mmで. は,. 約600℃ 以 上の 温度 で精 度 よ く測 定が 可能 とな る こ とが 図 よ りわか る. レー ザ照 射 中,温 度 は徐 々 に上 昇 し,照 射 終了 時(5ms)で. は1013℃. に 達 して い る.ま た,図4の 結 果 を適用 す る こ とに よ り照射 部 の 最 高 温 度 を推 定 で き,こ の場 合 レー ザ ス ポ ッ ト中 心 にお け る最 高 温 度 は 1350℃ と な る. レーザ 出 力 を種 々 に変 化 させ,そ の ときの温 度 を測定 した結 果 を図 8に 示 す.図 で は レーザ ス ポ ッ ト中心 部 の最 高 温 度 を求 め た結 果 を示. Fig.10. Mesh. model. of PSZ. for FFM. simulation. して い る.レ ー ザ 出力 が大 き くなる に した が い,照 射 部 最 高温 度 は直 線 的 に高 くな り,Q=50Wで 3.レ. は2000℃ を超 え て い る. ー ザ照 射 部温 度 の理 論 的 解 析. 加 工物 の レーザ吸 収 率,熱 伝 導 率な どの物 性 値 が 温度 に依 存 せず 一 定 の 場 合 に は,レ ー ザ照 射 部 の 最 高温 度 は解 析 的 に求 め る こ とが で き,次 式 で 表 され る3).. 〓こ こで,エ ネ ルギ ーqは 式(5)で 与 え られ,kは 加 工材 料 の 熱伝 導 率, K(=k/ρC)は. 熱 拡散 率 を示 してお り,τ は レー ザ照 射 時 間 であ る.. Fig.11 Specificheat and thermalconductivityof PSZ5). 精 密 工 学 会 誌Vol.65,No.1,1999129.
(5) 山田 ・小谷 ・上田:CO2レ. Fig.12. ーザ 加工における照射 部温 度と吸収率. Flowchart. for FEM simulation. Fig.13 Absorptivity of PSZ for CO2 laser. Fig.15 Results of temperature analysis by FEM simulation. を図13に 示す,図 よ り,加 工 物 の 温度 が 上 昇 す る につ れ て吸 収 率 は 大 き くな る傾 向 にあ り,常 温 時 で 約50%で る とほぼ90%に. あ っ たが,2100℃. に達す. (2)FEMに. よ る計 算 結 果 と温度 測 定結 果 の 比 較 か ら,700〜2100℃ の. 温 度 にお け るPSZの. レーザ 吸 収 率 を求 め る こ とが で き,吸 収率. は 温度 が 上 昇 す る につ れ て大 き くな り,700℃ で46%で. も達 す る こ とが わ か る.. 図13の 結 果 の妥 当性 を確 か め るた め,実 験 に よる測 定波 形 と,FEM 解 析 に よ って得 られ た温 度 変 化(レ ー ザス ポ ッ ト中心)を 比較 した結. 2100℃ で は90%に. あ っ たが. 達 す る.. (3)材 料 の 物 性 値 お よび レー ザ吸 収 率 の温 度 依存 性 を考慮 したFEM. 果 が 図14で あ る.縦 軸 は照 射 部 の最 高 温度,す な わ ちス ポ ッ トの 中. 解析 に よ り レー ザ照 射 中 の温 度履 歴 を 求め たが,実 験 に よる測 定. 心 の温 度 を示 して い る.解 析温 度 と測定 波 形 は おお む ね よ く一 致 して. 波 形 に近 い 波 形 を再 現 す る こ とが で きた 。. お り,求 め た 吸収 率 が妥 当 と考 えら れ る.. 参 考. これ らの 結 果 を用 い て,エ ネル ギ ーQ=50Wを5ms照 PSZ内 部 の 温度 分 布 の計 算 結 果 を図15(a)に. 示 す.照 射 表面 の 中心. にお い て最 高 温度 は2090℃ に達 して い る。この ときの 表面 温 度分 布 を 図15(b),内. 部 温度 分 布 を図15(c)に. PSZ内 部 の 温度 勾 配 は大 き く,図10に. 示 す,い ず れ の 図 にお い て も 示 した解 析 モ デ ルの サ イズが. 1) 黒 部 利 次,川 割 断,材. 向 徳 康,高. 2) M. Geiger and F. Vollertsen: CIRP,. The Mechanisms. of Laser Forming,. 本 研 究 で は,カ ル コゲ ナ イ ド光 フ ァイバ と積 層 型2色 素子 を組 み合 よる非 定常 熱 伝 導 解析. に よって レーザ 照射 部 の 温 度分 布 を求め,実 験 結 果 と計 算結 果 を比較. 山 孝 宏,杉. 光 カ プ ラ 型2色. 田 忠 彰:レ. ーザ 照射 部 の フラ ッシ ュ温度. 温 度 計 の 適 用,精. 密 工 学 会 誌,. 4) 上 田 隆 司,山. 田 啓 司,杉. 照 射 部 の 温 度 測 定,1994年 集,. 田 忠 彰,伊. 東 雅 人,平. 出. 淳:CO2レ. Metals and Ceramics Information Center.. (1)新 し く開 発 した2色 温 度 計 は,レ ー ザ照 射 部 の温 度 計測 に適 用 す る こ とが で き,レー ザ 照射 開始 か ら終 了 まで の照 射 部 の温 度 変化. ーザ. ENGINEERING PROPERTY DATA ON. 果 を要約 す る と以 下 の よ うに なる.. 精 密 工 学 会Vol.65,No.1,1999. 2. (1994)299.. 5) MCIC Report/July 1981;. SELECTED CERAMICS VOLUME 3, SINGLE OXIDES. 130. 61,. 度 精 密 工学 会 秋 季大 会 学 術講 演 会論 文. す る こ とに よ り,加 工 材料 の レー ザ吸 収 率 を求 めて み た.得 られ た結. を知 る こ とが で きる.. Ann.. (1995)278.. わせ た新 しい タ イ プの光 フ ァ イバ型2色 温度 計 を製作 し,レ ーザ 照射 部 の温 度 計 測 に適 用 して み た.ま た,FEMに. ーザ に よる ガ ラス の精 密. 42(1993)301.. 測 定―. 論. 尾 利 幸;YAGレ. 料,42(1993)1004.. 3) 上 田 隆 司,入. 十 分 で あ る こ とが確 認 で き る. 4.結. 文 献. 射 した ときの. (1981).
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