特開 2024-151604 温度測定装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024151604

(43)【公開日】2024-10-25

(54)【発明の名称】温度測定装置

(51)【国際特許分類】

   G01J 5/60 20060101AFI20241018BHJP

   G01J 5/02 20220101ALI20241018BHJP

【ＦＩ】

G01J5/60 E

G01J5/02 J

【審査請求】未請求

【請求項の数】12

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023065074

(22)【出願日】2023-04-12

(71)【出願人】

【識別番号】000236436

【氏名又は名称】浜松ホトニクス株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100088155

【弁理士】

【氏名又は名称】長谷川 芳樹

(74)【代理人】

【識別番号】100113435

【弁理士】

【氏名又は名称】黒木 義樹

(74)【代理人】

【識別番号】100140442

【弁理士】

【氏名又は名称】柴山 健一

(72)【発明者】

【氏名】伊東 勝久

【テーマコード（参考）】

2G066

【Ｆターム（参考）】

2G066AA15

2G066AC11

2G066BA38

(57)【要約】

【課題】温度測定の安定性の低下を抑制可能な温度測定装置を提供する。
【解決手段】被加工物Ｓからの熱輻射光Ｒを入射させる光ファイバ１９と、熱輻射光Ｒを第１光と第２光とに分岐させるダイクロイックミラー３３１と、第１光から第１波長範囲Ｗ１の第１成分Ｒ１を抽出する第１光学フィルタ３３２ａと、第２光から第２波長範囲Ｗ２の第２成分Ｒ２を抽出する第２光学フィルタ３３３ａと、第１成分Ｒ１を検出して第１信号を出力する第１光検出部３４と、第２成分Ｒ２を検出して第２信号を出力する第２光検出部３５と、第１信号と第２信号との比に基づいて被加工物Ｓの温度を算出する信号処理部３８と、を備え、第１波長範囲Ｗ１は、１．８μｍを第１基準波長Ｖ１として含むと共に、第１基準波長Ｖ１よりも長波長側が短波長側よりも広くなるように設定される、温度測定装置３０。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

筐体と、
前記筐体に接続され、対象物からの熱輻射光を前記筐体内に入射させる光ファイバと、
前記筐体内に配置され、前記熱輻射光を第１光と第２光とに分岐させる分岐部と、
前記筐体内に配置され、前記第１光から第１波長範囲の第１成分を抽出する第１光学フィルタと、
前記筐体内に配置され、前記第２光から第２波長範囲の第２成分を抽出する第２光学フィルタと、
前記筐体に設置され、前記第１成分を検出し、検出した前記第１成分の光量に応じた第１信号を出力する第１光検出部と、
前記筐体に設置され、前記第２成分を検出し、検出した前記第２成分の光量に応じた第２信号を出力する第２光検出部と、
前記第１光検出部から出力された前記第１信号と前記第２光検出部から出力された前記第２信号との比に基づいて、前記対象物の温度を算出する算出部と、
を備え、
前記第２波長範囲は、前記第１波長範囲の上限波長よりも長波長側を含み、
前記第１波長範囲は、１．８μｍを第１基準波長として含むと共に、前記第１基準波長よりも長波長側の範囲が前記第１基準波長よりも短波長側の範囲よりも広くなるように設定されている、
温度測定装置。

【請求項2】

前記第１波長範囲は、１．６μｍ以上２．３μｍ以下である、
請求項１に記載の温度測定装置。

【請求項3】

前記第２波長範囲は、２．１μｍを第２基準波長として含むと共に、前記第２基準波長よりも長波長側の範囲が前記第２基準波長よりも短波長側の範囲よりも広くなるように設定されている、
請求項１に記載の温度測定装置。

【請求項4】

前記第２波長範囲は、１．９μｍ以上２．５μｍ以下である、
請求項３に記載の温度測定装置。

【請求項5】

前記第１波長範囲の幅は、前記第２波長範囲の幅よりも広い、
請求項１に記載の温度測定装置。

【請求項6】

前記第１光学フィルタは、前記分岐部と前記第１光検出部との間に配置されており、
前記第２光学フィルタは、前記分岐部と前記第２光検出部との間に配置されている、
請求項１に記載の温度測定装置。

【請求項7】

前記分岐部は、前記第１光学フィルタ及び前記第２光学フィルタを含む、
請求項１に記載の温度測定装置。

【請求項8】

前記第１波長範囲及び第２波長範囲は、互いに重複する重複領域を有する、
請求項１に記載の温度測定装置。

【請求項9】

前記分岐部は、前記第１光及び前記第２光のうちの一方を透過させると共に、前記第１光及び前記第２光のうちの他方を反射することにより、前記熱輻射光を前記第１光と前記第２光とに分岐し、
前記分岐部の光透過特性は、前記重複領域に相当する波長範囲において、波長の変化に対する透過率の変化が相対的に小さくなる段差部を含む、
請求項８に記載の温度測定装置。

【請求項10】

前記分岐部の光透過特性は、当該分岐部の光透過率が４０％以上６０％以下の範囲において前記段差部を含む、
請求項９に記載の温度測定装置。

【請求項11】

前記第２波長範囲の下限波長は、前記第１波長範囲の下限波長よりも長波長側である、
請求項１に記載の温度測定装置。

【請求項12】

前記光ファイのコア径は、１００μｍ以上１０００μｍ以下であり、
前記光ファイバのクラッド径は、１０５μｍ以上１２００μｍ以下である、
請求項１～１１のいずれか一項に記載の温度測定装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、温度測定装置に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１には、レーザ加工装置が記載されている。この装置は、ワークにレーザ光を照射することによりワークを加工する加工用レーザと、ワークのレーザ光の照射領域から熱輻射される光を検出し、波長の異なる２つの光成分の強度を測定する波長強度測定部と、波長強度測定部からの２つの光成分の強度データに基づいて、それらの強度比データに基づいて照射領域の温度を演算する管理部と、を備えている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００３－０１０９８９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１に記載された装置では、ワークにおけるレーザ光の照射領域の温度を演算するため、波長１．８μｍの第１光成分と波長２．０μｍの第２光成分とを用いた２色法での温度の演算が例示されている。

【0005】

ところで、近年、レーザ加工において、例えば１００℃～２００℃といったような、より低温域での測定を行う要求がある。これに対して、例えば上記のワークにおけるレーザ光の照射領域といった温度測定の対象がより低温となると、熱輻射光のピーク波長がより長波長側にシフトしていく。このため、２色法での温度測定における２つの光成分のうち、例えば上記の波長１．８μｍの第１光成分のような短波長側の光成分の強度が低下する。短波長側の光成分の強度が低下すると、当該光成分を検出器で検出して生成される電気信号において、不安定要素（一例として、アンプのオフセットやドリフト、それらの時間変動や、その他回路要素の揺らぎ等の回路の不安定性）の影響が相対的に大きくなる。この結果、温度測定の安定性が低下するおそれがある。

【0006】

そこで、本開示は、温度測定の安定性の低下を抑制可能な温度測定装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本開示に係る温度測定装置は、［１］「筐体と、前記筐体に接続され、対象物からの熱輻射光を前記筐体内に入射させる光ファイバと、前記筐体内に配置され、前記熱輻射光を第１光と第２光とに分岐させる分岐部と、前記筐体内に配置され、前記第１光から第１波長範囲の第１成分を抽出する第１光学フィルタと、前記筐体内に配置され、前記第２光から第２波長範囲の第２成分を抽出する第２光学フィルタと、前記筐体に設置され、前記第１成分を検出し、検出した前記第１成分の光量に応じた第１信号を出力する第１光検出部と、前記筐体に設置され、前記第２成分を検出し、検出した前記第２成分の光量に応じた第２信号を出力する第２光検出部と、前記第１光検出部から出力された前記第１信号と前記第２光検出部から出力された前記第２信号との比に基づいて、前記対象物の温度を算出する算出部と、を備え、前記第２波長範囲は、前記第１波長範囲の上限波長よりも長波長側を含み、前記第１波長範囲は、１．８μｍを第１基準波長として含むと共に、前記第１基準波長よりも長波長側の範囲が前記第１基準波長よりも短波長側の範囲よりも広くなるように設定されている、温度測定装置」である。

【0008】

この装置では、対象物からの熱輻射光が分岐部により第１光と第２光とに分岐され、第１光及び第２光のそれぞれから、第１光学フィルタ及び第２光学フィルタのそれぞれによって第１波長範囲の第１成分及び第２波長範囲の第２成分が抽出される。第１成分及び第２成分は、それぞれ、第１光検出部及び第２光検出部のそれぞれによって検出され、第１成分の光量に応じた第１信号及び第２成分の光量に応じた第２信号が生成される。そして、算出部によって、第１信号と第２信号との比に基づいて、対象物の温度が算出される。このように、この装置では、互いに異なる波長範囲の２つの光成分の強度比に基づいて対象物の温度を測定する２色法が用いられる。

【0009】

ここで、第２成分の第２波長範囲は、第１成分の第１波長範囲の上限波長よりも長波長側を含む。すなわち、ここでは、第１成分が相対的に短波長側の成分となる。そして、第１成分の第１波長範囲は、１．８μｍを第１基準波長として含むと共に、当該第１基準波長よりも長波長側の範囲が当該第１基準波長よりも短波長側の範囲よりも広くなるように設定されている。よって、より低温域での測定の際に熱輻射光のピーク波長が長波長側にシフトした場合であっても、第１成分の光量が確保される。よって、第１成分の光量に応じた第１信号において、不安定要素の影響が大きくなることが抑制される。この結果、温度測定の安定性の低下が抑制される。

【0010】

対象物からの熱輻射光を直接光検出部に入射させる構成（光ファイバを介さない構成）と比較して、光ファイバを介して対象物からの熱輻射光を光検出部に入射させる構成は、光検出部に入射させることができる熱輻射光の光量が制限される。そのような構成の装置を用いて低温域の測定を行うと、不安定要素の影響が大きくなる。これに対して、上記のように波長範囲を設定することで、光ファイバを介する構成においても好適に低温域の測定が可能となる。

【0011】

本開示に係る温度測定装置は、［２］「前記第１波長範囲は、１．６μｍ以上２．３μｍ以下である、上記［１］に記載の温度測定装置」であってもよい。この場合、第１成分の光量が確実に確保され、低温域での測定がより確実に安定化される。

【0012】

本開示に係る温度測定装置は、［３］「前記第２波長範囲は、２．１μｍを第２基準波長として含むと共に、前記第２基準波長よりも長波長側の範囲が前記第２基準波長よりも短波長側の範囲よりも広くなるように設定されている、上記［１］又は［２］に記載の温度測定装置」であってもよい。この場合、長波長側の第２成分の光量が確保されることで、ダイナミックレンジが確保される。

【0013】

本開示に係る温度測定装置は、［４］「前記第２波長範囲は、１．９μｍ以上２．５μｍ以下である、上記［３］に記載の温度測定装置」であってもよい。この場合、長波長側の第２成分の光量が確実に確保されることで、ダイナミックレンジがより確実に確保される。

【0014】

本開示に係る温度測定装置は、［５］「前記第１波長範囲の幅は、前記第２波長範囲の幅よりも広い、上記［１］～［４］のいずれかに記載の温度測定装置」であってもよい。この場合、第１成分の光量が確実に確保され、低温域での測定がより確実に安定化される。

【0015】

本開示に係る温度測定装置は、［６］「前記第１光学フィルタは、前記分岐部と前記第１光検出部との間に配置されており、前記第２光学フィルタは、前記分岐部と前記第２光検出部との間に配置されている、上記［１］～［５］のいずれかに記載の温度測定装置」であってもよい。この場合、第１波長範囲の第１成分及び第２波長範囲の第２成分のそれぞれを確実に抽出することが可能となる。

【0016】

本開示に係る温度測定装置は、［７］「前記分岐部は、前記第１光学フィルタ及び前記第２光学フィルタを含む、上記［１］～［５］のいずれかに記載の温度測定装置」であってもよい。この場合、部品点数が削減される。

【0017】

本開示に係る温度測定装置は、［８］「前記第１波長範囲及び第２波長範囲は、互いに重複する重複領域を有する、上記［１］～［７］のいずれかに記載の温度測定装置」であってもよい。この場合、短波長側の第１波長範囲が第２波長範囲と重複する重複領域を含むことにより、第１成分の光量が確実に確保されると共に、低温域から高温域にわたってダイナミックレンジが確保しやすくなる。

【0018】

本開示に係る温度測定装置は、［９］「前記分岐部は、前記第１光及び前記第２光のうちの一方を透過させると共に、前記第１光及び前記第２光のうちの他方を反射することにより、前記熱輻射光を前記第１光と前記第２光とに分岐し、前記分岐部の光透過特性は、前記重複領域に相当する波長範囲において、波長の変化に対する透過率の変化が相対的に小さくなる段差部を含む、上記［８］に記載の温度測定装置」であってもよい。この場合、第１波長範囲と第２波長範囲との重複領域の波長範囲の光を、第１光学フィルタ及び第１光検出部と、第２光学フィルタ及び第２光検出部と、の両方に好適に入射させることが可能となる。

【0019】

本開示に係る温度測定装置は、［１０］「前記分岐部の光透過特性は、当該分岐部の光透過率が４０％以上６０％以下の範囲において前記段差部を含む、上記［９］に記載の温度測定装置」であってもよい。この場合、第１波長範囲と第２波長範囲との重複領域の波長範囲の光を、第１光学フィルタ及び第１光検出部と、第２光学フィルタ及び第２光検出部と、の両方により好適に入射させることが可能となる。

【0020】

本開示に係る温度測定装置は、［１１］「前記第２波長範囲の下限波長は、前記第１波長範囲の下限波長よりも長波長側である、上記［１］～［１０］のいずれかに記載の温度測定装置」であってもよい。

【0021】

本開示に係る温度測定装置は、［１１］「前記光ファイのコア径は、１００μｍ以上１０００μｍ以下であり、前記光ファイバのクラッド径は、１０５μｍ以上１２００μｍ以下である、上記［１］～［１１］のいずれかに記載の温度測定装置」であってもよい。この場合、筐体内へ入射させる熱輻射光の光量を確保しつつ、測定の自由度を向上することができる。

【発明の効果】

【0022】

本開示によれば、温度測定の安定性の低下を抑制可能な温度測定装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0023】

【図1】図１は、一実施形態に係るレーザ加工装置の構成図である。

【図2】図２は、図１に示された温度測定装置の構成を示す概略図である。

【図3】図３は、光学フィルタの光透過特性を示すグラフである。

【図4】図４は、図２に示されたダイクロイックミラーの光透過特性を示すグラフである。

【図5】図５は、温度の測定結果の一例を示すグラフでる。

【図6】図６は、温度の測定結果の別の一例を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0024】

以下、本開示に係る一実施形態について、図面を参照して説明を行う。なお、各図の説明において、同一又は相当する要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する場合がある。

【0025】

図１は、一実施形態に係るレーザ加工装置の構成図である。図１に示されるように、レーザ加工装置１は、レーザ加工ヘッド１０と、レーザ光源２０と、温度測定装置３０と、を備えている。レーザ加工装置１は、被加工物Ｓにレーザ光Ｌを照射することで被加工物Ｓを加工しつつ、被加工物Ｓにおいてレーザ光Ｌが照射された領域（以下、「レーザ光照射領域Ｓａ」という）から発せられた熱輻射光Ｒを検出することでレーザ光照射領域Ｓａの温度を測定する。したがって、被加工物Ｓは、温度測定装置３０における温度測定の対象物でもある。レーザ光Ｌの照射による被加工物Ｓの加工の一例は、切断、溶接、表面処理等である。被加工物Ｓにおけるレーザ光照射領域Ｓａの温度の測定目的の一例は、レーザ光の出力制御、加工不良の検出等である。

【0026】

レーザ加工ヘッド１０は、筐体１１と、光入射部１２と、第１光学系１３と、ダイクロイックミラー１４と、ビームトラップ１５と、第２光学系１６と、光出射部１７と、を有している。レーザ加工ヘッド１０は、被加工物Ｓに対して移動可能になるように構成されている。

【0027】

筐体１１は、中心部１１ａ、１対の側方延在部１１ｂ，１１ｃ、及び上方延在部１１ｄによって構成されている。１対の側方延在部１１ｂ，１１ｃは、水平方向に沿って中心部１１ａから互いに反対側に延在している。上方延在部は、鉛直方向に沿って中心部１１ａから上側に延在している。中心部１１ａにおける下側の壁部には、開口１１ｅが形成されている。

【0028】

光入射部１２は、側方延在部１１ｂの先端部に取り付けられている。光入射部１２には、光ファイバ１８の一端部１８ａが接続されている。光ファイバ１８の他端部１８ｂは、レーザ光源２０に接続されている。光入射部１２は、レーザ光源２０から出射されて、光ファイバ１８によって導光されたレーザ光Ｌを筐体１１内に入射させる。一例として、レーザ光源２０は、半導体レーザによって構成されており、８１０ｎｍや９４０ｎｍ等の中心波長を有するレーザ光Ｌを出射する。

【0029】

第１光学系１３は、側方延在部１１ｂ内に配置されている。第１光学系１３は、光入射部１２側から入射したレーザ光Ｌを被加工物Ｓに集光する。一例として、第１光学系１３は、２つの単レンズによって構成されており、各単レンズの表面には、レーザ光Ｌの反射を防止する反射防止膜が形成されている。

【0030】

ダイクロイックミラー１４は、中心部１１ａ内に配置されている。ダイクロイックミラー１４は、第１光学系１３によって集光されたレーザ光Ｌを開口１１ｅ側に反射する。ダイクロイックミラー１４によって反射されたレーザ光Ｌは、開口１１ｅを通過して被加工物Ｓに照射される。被加工物Ｓにおけるレーザ光照射領域Ｓａからは、熱輻射光Ｒが発せられる。レーザ光照射領域Ｓａから発せられた熱輻射光Ｒは、開口１１ｅを通過してダイクロイックミラー１４に入射する。ダイクロイックミラー１４は、開口１１ｅ側から入射した熱輻射光Ｒを透過させる。

【0031】

ビームトラップ１５は、側方延在部１１ｃ内に配置されている。ビームトラップ１５は、レーザ光Ｌのうちダイクロイックミラー１４を透過した僅かな光を吸収する。これにより、筐体１１内でのレーザ光Ｌの乱反射が抑制される。

【0032】

第２光学系１６は、上方延在部１１ｄ内に配置されている。第２光学系１６は、ダイクロイックミラー１４側から入射した熱輻射光Ｒを光出射部１７に集光する。一例として、第２光学系１６は、２つの複合レンズによって構成されている。ダイクロイックミラー１４側に配置された複合レンズは、例えば、２つの単レンズによって構成されたコリメート用のアクロマティクレンズである。光出射部１７側に配置された複合レンズは、例えば、３つの単レンズによって構成されたフォーカス用のアクロマティクレンズである。各複合レンズでは、熱輻射光Ｒに含まれる第１波長範囲の第１成分Ｒ１及び第２波長範囲の第２成分Ｒ２（図２参照）について色収差が補正されている。

【0033】

光出射部１７は、上方延在部１１ｄの先端部に取り付けられている。光出射部１７には、光ファイバ１９の一端部１９ａが接続されている。光ファイバ１９の他端部１９ｂは、温度測定装置３０に接続されている。光出射部１７は、第２光学系１６によって集光された熱輻射光Ｒを光ファイバ１９内に入射させる。熱輻射光Ｒは、光ファイバ１９によって温度測定装置３０に導光される。レーザ加工装置１では、レーザ加工ヘッド１０及び光ファイバ１９が、レーザ光照射領域Ｓａから発せられた熱輻射光Ｒを温度測定装置３０に導光する導光部として機能する。

【0034】

図２は、図１に示された温度測定装置の構成を示す概略図である。図２に示されるように、温度測定装置３０は、筐体３１と、光入射部３２と、光抽出部３３と、第１光検出部３４と、第２光検出部３５と、第１温度検出部３６と、第２温度検出部３７と、信号処理部（算出部）３８と、を有している。

【0035】

筐体３１は、複数の壁部３１１，３１２，３１３，３１４，３１５，３１６を有している。１対の壁部３１１，３１２は、Ｘ軸方向おいて対向している。１対の壁部３１３，３１４は、Ｙ軸方向おいて対向している。１対の壁部３１５，３１６は、Ｚ軸方向おいて対向している。各壁部３１１，３１２，３１３，３１４，３１５，３１６は、角部によって互いに仕切られた平坦な壁部である。ただし、各壁部３１１，３１２，３１３，３１４，３１５，３１６は、角部によって互いに仕切られた壁部であれば、平坦な壁部に限定されず、湾曲した壁部であってもよい。なお、各壁部３１１，３１２，３１３，３１４，３１５，３１６を互いに仕切る角部は、面取りされた角部であってもよいし、面取りされていない角部であってもよい。

【0036】

光入射部３２は、壁部３１１に設置されている。光入射部３２には、光ファイバ１９の他端部１９ｂが接続されている。光入射部３２は、熱輻射光Ｒを筐体３１内に入射させる。熱輻射光Ｒは、レーザ光照射領域Ｓａから発せられて、レーザ加工ヘッド１０及び光ファイバ１９によって導光された光である（図１参照）。換言すれば、温度測定装置３０は、光入射部３２を介して筐体３１に接続され、被加工物Ｓからの熱輻射光Ｒを筐体３１内に入射させる光ファイバ１９を備えている。光ファイバ１９は、一例として、単一のコアとコアの周囲のクラッドとを含む。光ファイバ１９のコア径は、一例として１００μｍ以上１０００μｍ以下であり、光ファイバ１９のクラッド径は、一例として１０５μｍ以上１２００μｍ以下である。一例として、光ファイバ１９は、２．６μｍ以下の波長の光を導光する。

【0037】

光抽出部３３は、筐体３１内に配置されている。光抽出部３３は、熱輻射光Ｒから第１波長範囲の第１成分Ｒ１及び第２波長範囲の第２成分Ｒ２を抽出する。第１波長範囲は、第２波長範囲と少なくとも部分的に異なる範囲であり、第２波長範囲よりも短波長側の範囲である。また、第２波長範囲の下限波長は、第１波長範囲の下限波長よりも長波長側である。換言すれば、第２波長範囲は、第１波長範囲の上限波長よりも長波長側を含む相対的に長波長側の範囲である。第１波長範囲及び第２波長範囲の詳細については後述する。

【0038】

光抽出部３３は、ダイクロイックミラー３３１（分岐部）、第１光学系３３２及び第２光学系３３３によって構成されている。ダイクロイックミラー３３１は、Ｘ軸方向において光入射部３２（光ファイバ１９の端面）と対向している。ダイクロイックミラー３３１は、光入射部３２側から入射した熱輻射光Ｒを、第１成分Ｒ１を含む第１光と第２成分Ｒ２を含む第２光とに分岐させる。

【0039】

より具体的には、ダイクロイックミラー３３１は、第１光及び第２光のうちの一方（ここでは第１光）を壁部３１２側に透過させる共に、第１光及び第２光のうちの他方（ここでは第２光）を壁部３１４側に反射することにより、熱輻射光Ｒを第１光と第２光とに分岐する。

【0040】

第１光学系３３２は、ダイクロイックミラー３３１と壁部３１２との間に配置されている。第１光学系３３２は、第１光学フィルタ３３２ａ及び第１集光レンズ３３２ｂによって構成されている。第１光学フィルタ３３２ａは、ダイクロイックミラー３３１を透過した第１光から第１波長範囲の第１成分Ｒ１を抽出して第１集光レンズ３３２ｂ側に透過させる。第１集光レンズ３３２ｂは、第１光学フィルタ３３２ａ側から入射した第１波長範囲の第１成分Ｒ１をＸ軸方向に沿って集光する。

【0041】

第２光学系３３３は、ダイクロイックミラー３３１と壁部３１４との間に配置されている。第２光学系３３３は、第２光学フィルタ３３３ａ及び第２集光レンズ３３３ｂによって構成されている。第２光学フィルタ３３３ａは、ダイクロイックミラー３３１によって反射された第２光から第２波長範囲の第２成分Ｒ２を抽出して第２集光レンズ３３３ｂ側に透過させる。第２集光レンズ３３３ｂは、第２光学フィルタ３３３ａ側から入射した第２波長範囲の第２成分Ｒ２をＹ軸方向に沿って集光する。

【0042】

第１光検出部３４は、壁部３１２に取り付けられている。第１光検出部３４は、Ｘ軸方向において第１光学系３３２と対向している。換言すれば、第１光学フィルタ３３２ａは、ダイクロイックミラー３３１と第１光検出部３４との間に配置されている。第１光検出部３４は、第１光検出素子３４ａを有している。第１光検出素子３４ａは、第１集光レンズ３３２ｂによって集光された第１成分Ｒ１を検出する。第１光検出素子３４ａは、例えば、ＣＡＮパッケージ内に配置されたフォトダイオード等の受光素子である。このように、第１光検出部３４は、第１成分Ｒ１を検出し、検出した第１成分Ｒ１の光量に応じた電気信号である第１信号を出力する。

【0043】

第２光検出部３５は、壁部３１４に取り付けられている。第１光検出部３４が取り付けられた壁部３１２、及び第２光検出部３５が取り付けられた壁部３１４は、異なる壁部である。第２光検出部３５は、Ｙ軸方向において第２光学系３３３と対向している。換言すれば、第２光学フィルタ３３３ａは、ダイクロイックミラー３３１と第２光検出部３５との間に配置されている。第２光検出部３５は、第２光検出素子３５ａを有している。第２光検出素子３５ａは、第２集光レンズ３３３ｂによって集光された第２成分Ｒ２を検出する。第２光検出素子３５ａは、例えば、ＣＡＮパッケージ内に配置されたフォトダイオード等の受光素子である。このように、第２光検出部３５は、第２成分Ｒ２を検出し、検出した第２成分Ｒ２の光量に応じた電気信号である第１信号を出力する。

【0044】

第１温度検出部３６は、第１光検出部３４が取り付けられた壁部３１２とは異なる壁部３１３に取り付けられている。第１温度検出部３６は、例えば、小さい熱時定数（例えば、６秒程度の熱時定数）を有するサーミスタ等の温度検出素子である。第２温度検出部３７は、第２光検出部３５が取り付けられた壁部３１４とは異なる壁部３１３に取り付けられている。第１温度検出部３６が取り付けられた壁部３１３、及び第２温度検出部３７が取り付けられた壁部３１３は、同じ壁部である。第２温度検出部３７は、例えば、小さい熱時定数（例えば、６秒程度の熱時定数）を有するサーミスタ等の温度検出素子である。

【0045】

信号処理部３８は、第１光検出部３４から出力された第１信号及び第２光検出部３５から出力された第２信号に基づいて、被加工物Ｓの熱輻射光Ｒを発した領域（すなわち、レーザ光照射領域Ｓａ）の温度を求める。このとき、信号処理部３８は、第１温度検出部３６から出力された信号に基づいて、第１光検出部３４から出力された信号を補正すると共に、第２温度検出部３７から出力された信号に基づいて、第２光検出部３５から出力された信号を補正することができる。信号処理部３８は、例えば、マイクロプロセッサーが組み込まれた信号処理基板、又は中央演算処理装置が組み込まれた信号処理基板によって、構成されている。

【0046】

一例として、被加工物Ｓから発せられた第１成分Ｒ１の光量をＭｓ１とし、筐体３１等から発せられた第１波長範囲の光の光量をＩ１とし、第１光検出部３４によって検出された第１波長範囲の光の光量をＭｍ１とすると、下記式（１）が成立する。第１波長範囲の基準波長をλ１とし、第１温度検出部３６によって検出された温度をＴ１とすると、下記式（２）が成立する（下記式（２）においてＤ１，β１，Ｃ１は定数）。下記式（１）及び（２）から、被加工物Ｓから発せられた第１成分Ｒ１の光量Ｍｓ１を算出する。これにより、筐体３１等から発せられた第１波長範囲の光の光量Ｉ１の影響を排除することができる。以上の処理が、第１温度検出部３６から出力された信号に基づいて、第１光検出部３４から出力された信号を補正する補正処理に相当する。
Ｍｓ１＝Ｍｍ１－Ｉ１…（１）
Ｉ１＝Ｄ１＋（β１／λ１^５）・exp［－Ｃ１／｛λ１（Ｔ１＋273.15）｝］…（２）

【0047】

同様に、被加工物Ｓから発せられた第２成分Ｒ２の光量をＭｓ２とし、筐体３１等から発せられた第２波長範囲の光の光量をＩ２とし、第２光検出部３５によって検出された第２波長範囲の光の光量をＭｍ２とすると、下記式（３）が成立する。第２波長範囲の基準波長をλ２とし、第２温度検出部３７によって検出された温度をＴ２とすると、下記式（４）が成立する（下記式（４）においてＤ２，β２，Ｃ２は定数）。下記式（３）及び（４）から、被加工物Ｓから発せられた第２成分Ｒ２の光量Ｍｓ２を算出する。これにより、筐体３１等から発せられた第２波長範囲の光の光量Ｉ２の影響を排除することができる。以上の処理が、第２温度検出部３７から出力された信号に基づいて、第２光検出部３５から出力された信号を補正する補正処理に相当する。
Ｍｓ２＝Ｍｍ２－Ｉ２…（３）
Ｉ２＝Ｄ２＋（β２／λ２^５）・exp［－Ｃ２／｛λ２（Ｔ２＋273.15）｝］…（４）

【0048】

信号処理部３８は、被加工物Ｓから発せられた第１波長範囲の第１成分Ｒ１の光量Ｍｓ１と、被加工物Ｓから発せられた第２波長範囲の第２成分Ｒ２の光量Ｍｓ２との比率から、レーザ光照射領域Ｓａの温度を算出する。より具体的には、信号処理部３８は、第１光検出部３４から出力された（光量Ｍｓ１に応じた）第１信号と、第２光検出部３５から出力された（光量Ｍｓ２に応じた）第２信号との比に基づいて、被加工物Ｓの温度を算出する。これは、二色式放射温度計（二色法）の原理である。

【0049】

温度測定装置３０は、レーザ光源４１と、ダイクロイックミラー４２と、光学フィルタ４３と、をさらに備えている。レーザ光源４１は、壁部３１４に取り付けられている。レーザ光源４１は、Ｙ軸方向に沿って可視域のレーザ光Ｖを筐体３１内に出射する。

【0050】

ダイクロイックミラー４２は、Ｘ軸方向において光入射部３２と対向し且つＹ軸方向においてレーザ光源４１と対向するように、筐体３１内に配置されている。ダイクロイックミラー４２は、光入射部３２側から入射した熱輻射光Ｒをダイクロイックミラー３３１側に透過させ、レーザ光源４１側から入射したレーザ光Ｖを光入射部３２側に反射する。レーザ光Ｖは、光ファイバ１９及びレーザ加工ヘッド１０によって導光されて、被加工物Ｓに照射される。レーザ光Ｖをガイド光として利用することで、被加工物Ｓにレーザ光Ｌが照射される位置を目視で確認することができる。また、レーザ光Ｖをガイド光として利用することで、被加工物Ｓにおいて加工位置と温度測定位置とが一致するようにレーザ加工装置１の各構成を調整することができる。

【0051】

光学フィルタ４３は、ダイクロイックミラー４２とダイクロイックミラー３３１との間に位置するように、筐体３１内に配置されている。光学フィルタ４３は、ダイクロイックミラー４２側から入射した熱輻射光Ｒをダイクロイックミラー３３１側に透過させ、ダイクロイックミラー４２側から入射した散乱光等（レーザ光Ｌに起因する散乱光等）を除去する。

【0052】

ここで、近年、レーザ加工において、例えば１００℃～２００℃といったような、より低温域での測定を行う要求がある。これに対して、温度測定の対象がより低温となると、熱輻射光Ｒのピーク波長がより長波長側にシフトしていく。このため、２色法での温度測定における２つの光成分のうち、例えば波長１．８μｍ付近の短波長側の光成分の光量が低下する。短波長側の光成分の光量が低下すると、当該光成分を検出器で検出して生成される電気信号において、不安定要素（一例として、アンプのオフセットやドリフト、それらの時間変動や、その他回路要素の揺らぎ等の回路の不安定性）の影響が相対的に大きくなる。この結果、温度測定の安定性が低下するおそれがある。

【0053】

そこで、本実施形態に係る温度測定装置３０では、このような問題を解決するための手段の一例としての構成を備えている。引き続いて、この点について説明する。

【0054】

図３は、光学フィルタの光学特性を示すグラフである。図３のグラフＧ１は、本実施形態に係る第１光学フィルタ３３２ａの光透過特性を示し、グラフＧ２は、本実施形態に係る第２光学フィルタ３３３ａの光透過特性を示している。図３のグラフＧ３は、短波長側の成分を抽出するための従来の光学フィルタの光透過特性を示すグラフであり、グラフＧ４は、長波長側の成分を抽出するための従来の光学フィルタの光透過特性を示すグラフである。

【0055】

グラフＧ１，Ｇ３に示されるように、第１光学フィルタ３３２ａが透過させる（抽出する）第１波長範囲Ｗ１は、従来の光学フィルタの透過波長範囲と比較して、長波長側に拡大されている。より具体的には、第１波長範囲Ｗ１は、１．８μｍ（１８００ｎｍ）を第１基準波長Ｖ１として含み、第１基準波長Ｖ１よりも長波長側の範囲Ｗａ２が、第１基準波長Ｖ１よりも短波長側の範囲Ｗａ１よりも広くなるように設定されている。

【0056】

一例として、第１波長範囲Ｗ１は、１．６μｍ以上２．３μｍ以下であり、図示の例では１．７μｍ以上２．１μｍ以下程度である。なお、第１波長範囲Ｗ１は、下限波長Ｌ１と上限波長Ｕ１との間の範囲であり、下限波長Ｌ１及び上限波長Ｕ１は、それぞれ、透過率が、最大値の１０％となる波長である。

【0057】

また、グラフＧ２，Ｇ４に示されるように、第２光学フィルタ３３３ａが透過させる（抽出する）第２波長範囲Ｗ２は、従来の光学フィルタの透過波長範囲と比較して、長波長側に拡大されている。より具体的には、第２波長範囲Ｗ２は、２．１μｍ（２１００ｎｍ）を第２基準波長Ｖ２として含み、第２基準波長Ｖ２よりも長波長側の範囲Ｗｂ２が、第２基準波長Ｖ２よりも短波長側の範囲Ｗｂ１よりも広くなるように設定されている。

【0058】

一例として、第２波長範囲Ｗ２は、１．９μｍ以上２．５μｍ以下であり、図示の例では、２．０μｍ以上２．４μｍ以下程度である。なお、第２波長範囲Ｗ２は、下限波長Ｌ２と上限波長Ｕ２との間の範囲であり、下限波長Ｌ２及び上限波長Ｕ２は、それぞれ、透過率が、最大値の１０％となる波長である。

【0059】

グラフＧ１，Ｇ２に示されるように、第２波長範囲Ｗ２は、第１波長範囲Ｗ１の上限波長Ｕ１よりも長波長側を含む。また、第２波長範囲Ｗ２の下限波長Ｌ２は、第１波長範囲Ｗ１の下限波長Ｌ１よりも長波長側である。また、本実施形態では、第１波長範囲Ｗ１及び第２波長範囲Ｗ２は、互いに重複する重複領域Ｐｗを有している。また、第１波長範囲Ｗ１の幅が、第２波長範囲Ｗ２の幅よりも広くされてもよい。第１光学フィルタ３３２ａ及び第２光学フィルタ３３３ａは、少なくとも以上の光学特性を有するように構成されている。

【0060】

ここで、図４は、図２に示されたダイクロイックミラーの光透過特性を示すグラフである。図４のグラフＧ５に示されるように、ダイクロイックミラー３３１の光透過特性は、波長の変化に伴い透過率が変化する（波長が大きくなるにつれて透過率が大きくなる）変遷領域Ｔｗを有している。特に、ダイクロイックミラー３３１の光透過特性は、上述した第１波長範囲Ｗ１と第２波長範囲Ｗ２との重複領域Ｐｗに相当する波長範囲において、波長の変化に対する透過率の変化が相対的に小さくなる段差部Ｇｐを有している。段差部Ｇｐは、変遷領域Ｔｗの一部である。段差部Ｇｐにおいて、波長の変化に対する透過率の変化が相対的に小さいとは、一例として、段差部Ｇｐにおける波長の変化に対する透過率の変化量が、変遷領域Ｔｗ全体における波長の変化に対する透過率の変化量よりも少ないことを意味する。なお、変遷領域Ｔｗ内には、波長の変化に伴って透過率が変化しない領域や、波長が大きくなるにつれて透過率が小さくなる領域が含まれてもよい。

【0061】

本実施形態では、段差部Ｇｐは、ダイクロイックミラー３３１の透過率が４０％以上６０％以下の範囲に位置している。ダイクロイックミラー３３１は、以上のような光透過特性を有するように構成されている。これにより、ダイクロイックミラー３３１は、熱輻射光Ｒのうちの重複領域Ｐｗに相当する波長範囲の成分の一部を透過して第１光学フィルタ３３２ａに向かわせると共に、残部を反射して第２光学フィルタ３３３ａに向かわせることが可能となる。この結果、互いに重複する第１成分Ｒ１及び第２成分Ｒ２の光量をより十分に確保することが可能となる。

【0062】

以上説明したように、温度測定装置３０では、レーザ加工装置１の被加工物Ｓからの熱輻射光Ｒがダイクロイックミラー３３１により第１光と第２光とに分岐され、第１光及び第２光のそれぞれから、第１光学フィルタ３３２ａ及び第２光学フィルタ３３３ａのそれぞれによって第１波長範囲Ｗ１の第１成分Ｒ１及び第２波長範囲Ｗ２の第２成分Ｒ２が抽出される。第１成分Ｒ１及び第２成分Ｒ２は、それぞれ、第１光検出部３４及び第２光検出部３５のそれぞれによって検出され、第１成分Ｒ１の光量に応じた第１信号及び第２成分Ｒ２の光量に応じた第２信号が生成される。そして、信号処理部３８によって、第１信号と第２信号との比に基づいて、被加工物Ｓの温度が算出される。このように、温度測定装置３０では、互いに異なる波長範囲の２つの光成分の強度比に基づいて対象物の温度を測定する２色法が用いられる。

【0063】

ここで、第２成分Ｒ２の第２波長範囲Ｗ２は、第１成分Ｒ１の第１波長範囲Ｗ１の上限波長Ｕ１よりも長波長側を含む。すなわち、ここでは、第１成分Ｒ１が相対的に短波長側の成分となる。そして、第１成分Ｒ１の第１波長範囲Ｗ１は、１．８μｍを第１基準波長Ｖ１として含むと共に、当該第１基準波長Ｖ１よりも長波長側の範囲Ｗａ２が当該第１基準波長Ｖ１よりも短波長側の範囲Ｗａ１よりも広くなるように設定されている。よって、より低温域での測定の際に熱輻射光Ｒのピーク波長が長波長側にシフトした場合であっても、第１成分Ｒ１の光量が確保される。よって、第１成分Ｒ１の光量に応じた第１信号において、不安定要素の影響が大きくなることが抑制される。この結果、温度測定の安定性の低下が抑制される。

【0064】

また、温度測定装置３０では、第１波長範囲Ｗ１は、１．６μｍ以上２．３μｍ以下である。このため、第１成分Ｒ１の光量が確実に確保され、低温域での測定がより確実に安定化される。

【0065】

また、温度測定装置３０では、第２波長範囲Ｗ２は、２．１μｍを第２基準波長Ｖ２として含むと共に、第２基準波長Ｖ２よりも長波長側の範囲Ｗｂ２が第２基準波長Ｖ２よりも短波長側の範囲Ｗｂ１よりも広くなるように設定されている。このため、長波長側の第２成分Ｒ２の光量が確保されることで、ダイナミックレンジが確保される。

【0066】

また、温度測定装置３０では、第２波長範囲Ｗ２は、１．９μｍ以上２．５μｍ以下である。このため、長波長側の第２成分Ｒ２の光量が確実に確保されることで、ダイナミックレンジがより確実に確保される。

【0067】

また、温度測定装置３０は、第１波長範囲Ｗ１の幅は、第２波長範囲Ｗ２の幅よりも広くてもよい。この場合、第１成分Ｒ１の光量が確実に確保され、低温域での測定がより確実に安定化される。

【0068】

また、温度測定装置３０では、第１光学フィルタ３３２ａは、ダイクロイックミラー３３１と第１光検出部３４との間に配置されており、第２光学フィルタ３３３ａは、ダイクロイックミラー３３１と第２光検出部３５との間に配置されている。このため、第１波長範囲Ｗ１の第１成分Ｒ１及び第２波長範囲Ｗ２の第２成分Ｒ２のそれぞれを確実に抽出することが可能となる。

【0069】

また、温度測定装置３０では、第１波長範囲Ｗ１及び第２波長範囲Ｗ２は、互いに重複する重複領域Ｐｗを有する。このため、第１成分Ｒ１の光量が確実に確保されると共に、低温域から高温域にわたってダイナミックレンジが確保しやすくなる。

【0070】

また、温度測定装置３０では、ダイクロイックミラー３３１は、第１光及び第２光のうちの一方を透過させると共に、第１光及び第２光のうちの他方を反射することにより、熱輻射光Ｒを第１光と第２光とに分岐する。そして、ダイクロイックミラー３３１の光透過特性は、重複領域Ｐｗに相当する波長範囲において、波長の変化に対する透過率の変化が相対的に小さくなる段差部Ｇｐを含む。このため、第１波長範囲Ｗ１と第２波長範囲Ｗ２との重複領域Ｐｗの波長範囲の光を、第１光学フィルタ３３２ａ及び第１光検出部３４と、第２光学フィルタ３３３ａ及び第２光検出部３５と、の両方に好適に入射させることが可能となる。

【0071】

また、温度測定装置３０では、ダイクロイックミラー３３１の光透過特性は、当該ダイクロイックミラー３３１の光透過率が４０％以上６０％以下の範囲において段差部Ｇｐを含む。このため、第１波長範囲Ｗ１と第２波長範囲Ｗ２との重複領域Ｐｗの波長範囲の光を、第１光学フィルタ３３２ａ及び第１光検出部３４と、第２光学フィルタ３３３ａ及び第２光検出部３５と、の両方により好適に入射させることが可能となる。

【0072】

さらに、温度測定装置３０では、光ファイバ１９のコア径は、１００μｍ以上１０００μｍ以下であり、光ファイバ１９のクラッド径は、１０５μｍ以上１２００μｍ以下である。このため、筐体３１内へ入射させる熱輻射光Ｒの光量を確保しつつ、測定の自由度を向上することができる。

【0073】

ここで、図５は、温度の測定結果の一例を示すグラフでる。図５のグラフＧ６は、温度測定装置３０により２色法を用いて測定された被加工物Ｓの温度［℃］を示している。グラフＧ７は、第１成分Ｒ１の光量に応じた信号値［Ｖ］であり、グラフＧ８は、第２成分Ｒ２の光量に応じた信号値［Ｖ］であって、それぞれ、単色法での温度測定結果に相当する。グラフＧ９は、被加工物Ｓに照射されるレーザ光Ｌの出力値［Ｗ］であり、グラフＧ１０は、レーザ光源２０の駆動電流値［Ａ］である。

【0074】

図５の例では、レーザ加工装置１によって被加工物Ｓ（ここでははんだ材）にレーザ光Ｌを連続照射している。この状況において、温度測定装置３０によれば、１５０℃付近の低温域から温度観測が可能であることが理解される。特に、グラフＧ６，Ｇ７，Ｇ８に示されるように、温度測定装置３０では、被加工物Ｓの溶融等の状態変化による温度上昇の停滞が、単色法での温度測定に比べて詳細に観測されることが分かる。なお、二色法は単色法と比べて、温度算出時に物体の放射率の影響をほとんど受けないため、接触式の温度計（例えば熱電対）などと同様に温度を算出することができる。その結果、グラフＧ６に示されるように温度測定対象物の温度上昇の停滞（加熱し続けていても融解が完了するまで温度がほぼ一定に保たれるという熱力学的な特徴）を観測することができる。したがって、二色法を用いた温度測定は、温度測定対象物の状態を単色法よりも正確に捉えることができる。本実施形態に係る第１波長範囲Ｗ１、及び、第２波長範囲Ｗ２を用いた二色法では、低温域において温度測定対象物の状態を正確に捉えることができる。

【0075】

図６は、温度の測定結果の別の一例を示すグラフである。図６の例では、被加工物Ｓ（ここでは樹脂部材）に対してレーザ光Ｌを照射し、被加工物Ｓを２０ｍｓで３２０℃に加熱し、その後の自然冷却の状況について温度測定を行っている。図６のグラフＧ１１は、温度測定装置３０により２色法を用いて測定された被加工物Ｓの温度［℃］を示している。図６のグラフＧ１１によれば、高温域から低温域にわたって安定した温度測定が可であることが理解される。

【0076】

以上の実施形態は、本発明の一態様について説明したものである。したがって、本発明は、上記実施形態に限定されることなく、任意に変形され得る。

【0077】

例えば、温度測定装置３０では、ダイクロイックミラー３３１が、第１光学フィルタ３３２ａ及び第２光学フィルタ３３３ａを含んでいてもよい。この場合、部品点数が削減される。また、分岐部としては、ダイクロイックミラーに限定されず、ビームスプリッタ等から構成されてもよい。

【0078】

さらに、温度測定装置３０では、第１波長範囲Ｗ１と第２波長範囲Ｗ２とが必ずしも重複領域Ｐｗを有していなくてもよいし、ダイクロイックミラー３３１の光透過特性が段差部Ｇｐを有していなくてもよい。

【0079】

なお、温度測定装置３０は、筐体３１の内側にさらに別の筐体（内部筐体）を備えていてもよい。この場合、一例として、ダイクロイックミラー３３１（分岐部）、第１光学フィルタ３３２ａ、第２光学フィルタ３３３ａ、第１集光レンズ３３２ｂ、及び第２集光レンズ３３３ｂは、内部筐体内に配置され得る。また、この場合、光ファイバ１９は内部筐体と光学的に接続されており、第１光検出部３４及び第２光検出部３５は、筐体３１と内部筐体との間の空間において、筐体３１内に固定（設置）された構成とされ得る。すなわち、第１光検出部３４及び第２光検出部３５は、筐体３１と内部筐体との間の空間において、筐体３１の各壁面（上面、底面、側面）や、内部筐体の各壁面に固定（設置）されてもよい。第１光検出部３４及び第２光検出部３５が筐体３１の壁面に直接的に設置される場合に限らず、別の部材を介して筐体３１に設置されてもよい。光ファイバ１９は、内部筐体に接続されて筐体３１により支持されることで、筐体３１に機械的に接続され得る。

【符号の説明】

【0080】

１９…光ファイバ、３０…温度測定装置、３４…第１光検出部、３５…第２光検出部、３３１…ダイクロイックミラー（分岐部）、３３２ａ…第１光学フィルタ、３３３ａ…第２光学フィルタ、Ｓ…被加工物（対象物）、Ｒ…熱輻射光、Ｒ１…第１成分、Ｒ２…第２成分、Ｗ１…第１波長範囲、Ｗ２…第２波長範囲、Ｐｗ…重複領域、Ｇｐ…段差部。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】