レーザーパワーセンサ
【課題】レーザーパワーセンサにおいて、単純な構成で応答速度が速く、長時間使用しても測定精度の良い熱型センサを提供する。
【解決手段】レーザー光の出力を測定するレーザーパワーセンサであって、一方の主面でレーザー光を受光する面状の光吸収体と、光吸収体の主面と背向する面に接して配設された熱伝導体と、熱伝導体に接するように配設された温度検出用のサーモパイルとからなる光検出部を有する。サーモパイルは、基板上に、直列に接続された複数の薄膜熱電対と、薄膜熱電対で発生する電圧を出力する導線を接続するためのコネクタ部と、薄膜熱電対上に積層された保護膜を有する。複数の薄膜熱電対は、基板上の略中央領域に一定の間隔を置いて配設された温接点と、基板上の略外周領域に一定の間隔を置いて配設された冷接点を有し、温接点は、熱伝導体に保護膜を介して接していることを特徴とする。
【解決手段】レーザー光の出力を測定するレーザーパワーセンサであって、一方の主面でレーザー光を受光する面状の光吸収体と、光吸収体の主面と背向する面に接して配設された熱伝導体と、熱伝導体に接するように配設された温度検出用のサーモパイルとからなる光検出部を有する。サーモパイルは、基板上に、直列に接続された複数の薄膜熱電対と、薄膜熱電対で発生する電圧を出力する導線を接続するためのコネクタ部と、薄膜熱電対上に積層された保護膜を有する。複数の薄膜熱電対は、基板上の略中央領域に一定の間隔を置いて配設された温接点と、基板上の略外周領域に一定の間隔を置いて配設された冷接点を有し、温接点は、熱伝導体に保護膜を介して接していることを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザーパワーセンサに係り、特に、熱型センサを備えたレーザーパワーセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、医療機器、通信機器、精密機器、分析機器、半導体・液晶等の分野において、レーザー装置の導入や普及が進んでおり、その用途やレーザー光源の種類も多岐にわたっている。例えば、医療機器分野ではレーザーメス等の治療器具、また、半導体・液晶分野ではレーザー加工機等のレーザー装置が使用されており、今後もレーザー装置の需要は増加すると予想されている。
このようなレーザー装置の構成要素として、レーザーパワーセンサは必須の構成要素の一つである。レーザーパワーセンサは、レーザー装置内で光源より照射されるレーザー光のパワー測定を行うために必要とされ、レーザー装置を安全且つ有効に使用するために不可欠な構成部品である。
【０００３】
レーザーパワーセンサは主として二種類に大別され、一方は、レーザー光を熱に変換して温度上昇を測定する熱型センサ、もう一方は結晶の温度変化に伴う焦電効果を利用した焦電型センサとして知られている。しかし、焦電型センサは、変化量に対応した出力電圧を信号として得るという原理から、変化量が小さい場合の長時間の測定には適しておらず、熱形センサが主流となっている。この熱型センサには、熱電対を用いたサーモパイルが備えられているのが一般的であり、このサーモパイルにおいて、レーザー光により与えられた熱エネルギーを電気エネルギーに変換し、その結果、レーザー光のパワーを測定することができる。
【０００４】
サーモパイルには、複数の熱電対からなる熱電対列が搭載されている。これは、単独の熱電対を用いた場合、十分な大きさの熱起電力が得られないためである。これら複数の熱電対は直列、あるいは並列に接続して形成することが可能であるが、直列に接続した場合には出力電圧を増大させることができるため、感度が良い測定が可能となる。さらに熱電対を直列に接続した場合、温度を空間的に平均化することができる。したがって、サーモパイルにおいては、熱電対を直列に接続したものが一般的に用いられている。また、サーモパイルは常温で動作し、レーザー光の入射エネルギー量に応じた電圧出力が得られ、比較的長寿命であるという利点を有している。さらに、測定波長に依存しない分光感度特性を有するため、様々な用途で用いることができる。
【０００５】
サーモパイルを用いる熱型センサに関し、特許文献１では、サーモパイルに直接レーザー光を照射する技術が提案されている。また、特許文献２では、熱容量の大きな光吸収体でレーザー光を吸収し、光吸収体の温度上昇を測定する技術が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開昭６４−７１１９２号公報
【特許文献２】特開２００３−２９４５２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
一般に熱型センサは、レーザー光が入射しはじめてから出力が安定するまでに時間を要するため、応答速度が遅いという問題がある。応答速度に関し、特許文献１では、レーザー光を直接サーモパイルに照射するため、レーザー光による温度変化に対し応答が速く、比較的有利である。しかし、レーザー光を直接照射する場合、サーモパイルに多大なエネルギーが吸収されることになるため、長時間の連続測定においては、特定箇所の異常過熱による故障等が発生しやすく、測定精度が低下するという問題がある。
【０００８】
これに対し、特許文献２では熱容量の大きな光吸収体（受光板）を設置し、複数の温度検出手段を用いて受光板の裏側の温度を検出し、その出力差分を考慮することにより、精度良くレーザーパワーを測定する技術が提案されている。この技術は熱型センサを用いる際に伴う応答速度低下という問題点を、温度検出位置と演算方法の工夫で解消したものといえるが、感度補正等の演算部分が複雑になるという問題点がある。
【０００９】
上述のように、熱型センサを用いたレーザーパワーセンサにおいて、応答性を向上させるためにサーモパイルに直接レーザー光を入射する場合、サーモパイルの損傷が生じやすい。一方、レーザー光を光吸収体で吸収する構成とした場合、応答性が低下する、という問題点がある。
【００１０】
さらに、測定するレーザーパワーが数Ｗという比較的大きなエネルギーを有する場合、発生熱量が大きいため、サーモパイルに備えられた薄膜熱電対の冷接点周囲まで熱が伝導しやすくなり、その結果、測定精度が悪くなるという問題点が挙げられる。
【００１１】
本発明の目的は、レーザーパワーセンサにおいて、簡単な構成で応答速度が速い熱型センサを提供することにある。また、本発明の他の目的は、レーザーパワーセンサにおいて、長時間使用しても測定精度の良い測定を行うことができる熱型センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
前記課題は、本発明に係るレーザーパワーセンサによれば、レーザー光の出力を測定するレーザーパワーセンサであって、一方の主面でレーザー光を受光する面状の光吸収体と、該光吸収体の前記主面と背向する面に接して配設された熱伝導体と、該熱伝導体に接するように配設された温度検出用のサーモパイルと、からなる光検出部と、を有し、前記サーモパイルは、基板上に、直列に接続された複数の薄膜熱電対と、該薄膜熱電対で発生する電圧を出力する導線を接続するためのコネクタ部と、前記薄膜熱電対上に積層された保護膜と、を有し、前記複数の薄膜熱電対は、基板上の略中央領域に一定の間隔を置いて配設された温接点と、基板上の略外周領域に一定の間隔を置いて配設された冷接点と、を有し、前記温接点は、前記熱伝導体に前記保護膜を介して接していること、により解決される。
【００１３】
このように、薄膜熱電対を搭載したサーモパイルは、熱容量が小さいため、レーザーパワーセンサの応答速度を向上させることができる。さらに光検出部に熱伝導体を備え、光吸収体から薄膜熱電対の温接点までの熱伝導速度を速くすることにより、レーザーパワーセンサの応答速度を向上させることができる。また、光検出部に光吸収体及び熱伝導体を備えているため、サーモパイルに直接過大なエネルギーが吸収されることがない。さらに、光検出部に、光透過窓、キャン及びステム等の容器を備えておらず、単純な構成としているため、レーザー光により得られたエネルギーを効率よく放出することができる。したがって、長時間安定したレーザーパワー測定を行うことができる。
【００１４】
このとき、請求項２のように、前記光検出部において、前記熱伝導体が、前記薄膜熱電対の冷接点と接触することなく配置されていると好適である。
このように薄膜熱電対の冷接点が、光吸収体にレーザー光が入射することにより発生した熱を、熱伝導体を介して受け取ることがないため、冷接点と温接点の温度差が明確になりやすく、精度の高いレーザーパワー測定を行うことができる。また、冷接点と熱伝導体が接触することがないため、レーザー光により発生した熱が冷接点まで伝導しにくく、したがって冷接点温度を別途管理することが容易となる。
【００１５】
また、請求項３のように、前記光検出部において、前記薄膜熱電対の冷接点及び前記サーモパイルの基板の外周部を覆う位置に配設されたヒートシンクを備えていると好ましい。
このとき、薄膜熱電対の冷接点部の温度を均一に保つことができ、光吸収体にレーザー光が吸収された際に発生する熱が冷接点へ伝導することがないため、温接点との温度差を大きくすることができ、その結果、精度の高いレーザーパワー測定を行うことができる。
【００１６】
さらにまた、請求項４のように、前記薄膜熱電対の冷接点近傍において、複数の冷接点間の基板に均等な形状のスリットを有していると好ましい。
このとき、薄膜熱電対の冷接点周囲の熱伝導を抑制し、且つ放熱効率を良くすることができるので、測定精度を向上させることができる。また、スリット形状を均一にすることにより、放熱特性も均一とすることができるため、冷接点温度を均一に制御しやすい。
【００１７】
また、請求項５のように、前記光検出部において、前記熱伝導体の外周部に、ヒートシンクを有していると好適である。
このとき、光吸収体により発生した熱は、熱伝導体を通して薄膜熱電対の温接点に伝導し、熱伝導体の外周方向に流れ、ヒートシンクから速やかに放散される。したがって測定するレーザー光のエネルギーが大きい場合であっても、サーモパイルの温度上昇が極度に大きくなることがないため、精度良く、且つ長時間にわたってレーザーパワー測定を行うことができる。
【００１８】
さらにまた、請求項６のように、前記サーモパイルのコネクタ部において、前記導線が、異方性導電体を介して接続されていると好ましい。
このとき、演算部及び演算結果表示部を備えた機器と、光検出部とを接続する金属線を、サーモパイルのコネクタ部に電気的接続を損なうことなく固定することができ、且つ接続部の強度も確保できるため、安定した動作をするレーザーパワーセンサを得ることができる。さらに、異方性導電体を用いてフレキシブルフラットケーブルを接続することができるため、レーザーパワーセンサの内部設計において自由度を確保することができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の請求項１のレーザーパワーセンサによれば、サーモパイルに熱容量の小さい薄膜熱電対を搭載することによりレーザーパワーセンサの応答速度を向上させることができる。また、光検出部に光吸収体及び熱伝導体を備えることにより、サーモパイルに直接過大なエネルギーが吸収されることがなく、長時間安定したレーザーパワー測定を行うことができる。
また請求項２の発明によれば、熱伝導体が、薄膜熱電対の冷接点と接触することなく配置されていて、冷接点が光吸収体及び熱伝導体からなる熱源から直接熱伝導を受けることがないため、冷接点と温接点の温度差が明確になりやすく、精度の高いレーザーパワー測定を行うことができる。
さらにまた、請求項３の発明によれば、薄膜熱電対の冷接点及びサーモパイル基板の外周部を覆うようにヒートシンクが配設されているため、薄膜熱電対の冷接点部の温度を均一に保つことができる。また、レーザー光により発生した熱が冷接点へ伝導することがないため、温接点との温度差を大きくすることができ、精度の高いレーザーパワー測定を行うことができる。
さらに請求項４の発明によれば、薄膜熱電対の冷接点近傍の基板に均等な形状のスリットを有するため、薄膜熱電対の冷接点周囲の熱伝導を抑制し、且つ放熱効率を良くすることができるので、測定精度が向上する。また、冷接点温度を均一に制御しやすくすることができる。
また請求項５の発明によれば、熱伝導体の外周部に、ヒートシンクを備えるため、光吸収体により発生した熱が速やかに熱伝導体中を流れてヒートシンクから放散される。したがって測定するレーザー光のエネルギーが大きい場合であっても、サーモパイルの温度上昇が極度に大きくなることがないため、精度良く、且つ長時間にわたってレーザーパワー測定を行うことができる。
さらに請求項６の発明によれば、サーモパイルのコネクタ部において異方接続されるため、接続用の導線と、サーモパイルとを電気的接続を損なうことなく確実に固定することができる。また、導線接続部の強度も確保できるため、導線が脱離しにくく、安定した動作をするレーザーパワーセンサを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の実施形態に係るレーザーパワーセンサの概略図である。
【図２】本発明の実施形態１に係るサーモパイルのパターン図である。
【図３】本発明の実施形態１に係る図１のＩ−Ｉ線に相当する断面図である。
【図４】本発明の実施形態２に係るサーモパイルのパターン図である。
【図５】本発明の実施形態２に係る図１のＩ−Ｉ線に相当する断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
本発明の実施形態に係るレーザーパワーセンサを図面に基づいて説明する。なお、以下に説明する材料、配置、構成等は、本発明を限定するものでなく、本発明の趣旨の範囲内で種々改変することができるものである。
図１乃至図３は本発明の実施形態１に係るもので、図１はレーザーパワーセンサの概略図、図２はサーモパイルのパターン図、図３は本発明の実施形態１に係る図１のＩ−Ｉ線に相当する断面図、図４及び図５は本発明の実施形態２に係るもので、図４はサーモパイルのパターン図、図５は図１のＩ−Ｉ線に相当する断面図である。
【００２２】
［実施形態１］
本発明の実施形態１に係るレーザーパワーセンサは、図１に示すように、光検出部Ｄ１、演算部Ｃ２及び演算結果表示部Ｃ４を備えた機器と、これら機器及び光検出部を接続する導線である金属線Ｃ１を備えている。光検出部Ｄ１はレーザー光を吸収する光吸収体３と、その下部にある熱伝導体１３（図３を参照）の外周部に備えられたヒートシンク２を筐体Ｆ１に保持されることにより形成されている。さらに光検出部Ｄ１は、金属線Ｃ１が接続されており、この金属線Ｃ１は演算部Ｃ２及び演算結果表示部Ｃ４を備えた機器に接続されている。なお、演算部Ｃ２はＣＰＵを備えており、接続線Ｃ３によって演算結果表示部Ｃ４と接続されていて、光検出部Ｄ１において計測された熱起電力はＣＰＵ上で演算・増幅することにより、演算部Ｃ２においてレーザー光のパワー値に換算され、演算結果表示部Ｃ４にその値が表示される。
【００２３】
実施形態１に係るレーザーパワーセンサの光検出部Ｄ１には、図２に示すようなサーモパイルＳ１が備えられている。なお、図２は測定するレーザー光のパワーが比較的小さい時に用いられるサーモパイルＳ１のパターン図である。サーモパイルＳ１は、基板１上に、金属薄膜４，５及び５ａよりなる直列に接続された複数の薄膜熱電対を備えている。
【００２４】
金属薄膜４及び５（５ａ）はそれぞれ異種材料であり、熱電対の温接点７において接合されている。ただし、金属薄膜５と５ａは同種材料とする。温接点７は、金属薄膜４及び５が重なるように接合されている。また、金属薄膜４及び５は、金属薄膜５ａ上に重なるように接合されていて、金属薄膜４及び５ａの接合点を冷接点６とし、金属薄膜４及び５（５ａ）よりなる熱電対が基板１上に複数組、直列に接続されている。
【００２５】
この時、温接点７は基板上の略中央領域に、また、冷接点６は略外周領域に一定の間隔を置いて配設されていれば良く、例えば、薄膜熱電対を十字状に配置してもよいし、図２のように放射状に配置しても良い。ただし、温接点７は光吸収体３及び光吸収体３の下部にある熱伝導体１３（図３を参照）に覆われる範囲に配設される。このとき、図２のように放射状に薄膜熱電対を形成すると、各冷接点６及び各温接点７の熱伝導が均一となり易いため、好ましい。また、冷接点６は、図３のように、熱伝導体１３と接触することなく配置されており、さらに図２中の一点鎖線で示されるドーナツ形状のヒートシンク２を設置する場合（図３では図示していないが、熱伝導体支持部材１４の代わりにヒートシンク２としてもよい）、ヒートシンク２に覆われる位置に配設されると好ましい。なお、この時ヒートシンク２は基板１の外周部を覆うように配設されると好ましい。
【００２６】
一般に、レーザー光が温接点７上に形成された光吸収体３（図３を参照）に吸収されて熱に変換され、冷接点６と温接点７に温度差が生じることで薄膜熱電対の電極間に起電力が生じる。ここで、放射率をη、サーモパイルＳ１の熱電対数をｎ、ゼーペック係数をα、熱伝導率をＧ、角周波数をω、熱時定数をｔとすると、サーモパイルの感度（Ｒｖ）は以下の式（１）で表される。
Ｒｖ＝η×ｎ×α／Ｇ（１＋ω２ｔ２）１／２ ［Ｖ／Ｗ］・・・（１）
したがって、設置する熱電対の数を増やすことにより、得られる熱起電力が大きくなり、感度の高いレーザーパワー測定が可能となる。
【００２７】
光検出部Ｄ１と演算部Ｃ２及び演算結果表示部Ｃ４を備えた機器の接続に関し、図２に示すように、基板１上に備えられたサーモパイルＳ１は、コネクタ部８上に薄い箔状の金属線９を積層させることにより電気的に接続され、さらに金属線９は、演算部Ｃ２に測定された熱起電力を伝達するため、金属線接続部１０に接続される。この時、金属線９及び金属線接続部１０の接続方法として、ワイヤボンディング、はんだ、レーザー溶接などを用いることができる。
また、コネクタ部８において、金属線９として、フレキシブルフラットケーブル９を用い、さらに異方性導電体（ＡＣＦ）を用いて、コネクタ部８と接続することもできる。これにより、作業が簡略化されると共に、薄膜熱電対と金属線Ｃ１の接続強度を向上させることができるため好ましい。
【００２８】
実施形態１は測定するレーザー光のパワーが比較的小さい場合の例であり、用いられる光検出部Ｄ１の断面図（図３）を用いて以下詳細に説明する。
熱伝導体１３の周囲には筐体Ｆ１及び圧着部材１６により保持されるため、熱伝導体支持部材１４が設置されている。なお、圧着部材１６として、筐体Ｆ１に圧着できる機能を有する部材を用いることができ、たとえば、ネジ、ボルト・ナット、ばね等を用いることができる。また、サーモパイルＳ１の外周にはフレーム１５が配設され、フレーム１５と圧着部材１６が接し、圧着部材１６がフレーム１５を筐体Ｆ１に押しつける構造とすることにより、筐体Ｆ１にサーモパイルＳ１が固定される。
【００２９】
さらにこの時、サーモパイルＳ１と熱伝導体１３の間に熱伝導性の良い接着剤で接着剤層１２を設けると、光吸収体３で発生した熱が、熱伝導体１３、さらに接着剤層１２を介して伝導しやすくなるため、熱伝導が早くなり、レーザーパワーセンサの応答速度が向上するため好ましい。また、接着剤層１２を設けることにより、各部材がより強固に固定されるという効果も得られる。
【００３０】
上述の構成のレーザーパワーセンサに対し、レーザー光が入射すると、光吸収体３に吸収され、熱に変換される。光吸収体３の半径方向の熱伝導性が高いほど、光吸収体３の温度が安定するまでの時間が早くなり、応答性が向上する。光吸収体３で発生した熱は、光吸収体３に接する熱伝導体１３、さらに熱伝導体１３に接する接着剤層１２、保護膜１７を介して温接点７に到達し、この時、冷接点６と温接点７に温度差が生じることで薄膜熱電対の電極間に起電力が生じる。この起電力を計測、演算処理し、レーザー光のパワー測定を行う。なお、測定するレーザー光のパワーが比較的大きい時には、光吸収体３の温度が上昇し続けてしまうため、ヒートシンク２を備えた構成とし、発生する熱を放散する。
光吸収体３は、光から熱への変換効率の良い材料を熱伝導体１３の表面に薄膜状に成膜して形成される。あるいは板状のバルク材を熱伝導体１３の上に置く構成でも良い。
【００３１】
上述の構成のレーザーパワーセンサは、サーモパイルＳ１に薄膜熱電対を搭載しているため、金属細線による熱電対を搭載した場合よりも熱容量が小さく、レーザーパワーセンサの応答速度を向上させることができる。また、熱伝導体に金属細線の熱電対を複数個取り付けるよりも、光検出部の組み立て工程を簡素化することができる。
また、熱伝導体１３とサーモパイルＳ１とを別部材として製造することができ、且つ単純な構成のレーザーパワーセンサとなるため、製造工程を簡素化することができる。
【００３２】
さらにまた、光検出機器には光透過窓、キャン及びステム等の容器が設けられているのが一般的であるが、上述の構成のレーザーパワーセンサは、光検出部Ｄ１に、光透過窓、キャン及びステム等の容器を備えていないため、レーザー光により得られたエネルギーを効率よく放出することができ、且つ製造工程を簡素化することができる。
【００３３】
なお、図２のサーモパイルＳ１を備えた光検出部Ｄ１において、図５のようにヒートシンク２を有しても良いし、図４のサーモパイルＳ２を備えた光検出部Ｄ１において、図３のようにヒートシンク２を備えない構造としても良く、測定するレーザー光のパワーに依存して適宜選択される。
【００３４】
サーモパイルＳ１を形成する基板１としては、ガラス、フィルムなどの耐熱性を有し、且つ熱伝導性が低い材料を用いることができる。
ガラス、フィルムは金属などの導電性のある基板のように、絶縁膜を形成する必要がないため、操作が煩雑になることが無く、好適である。また、フィルムはその可撓性により、サーモパイルＳ１及びＳ２の強度を高めることができるが、好ましくは熱伝導性の低いポリイミドフィルムを用いるのが良い。ポリイミドフィルムは、折り曲げることが可能で基板を数十ミクロンの厚さにしても壊れにくく取り扱いが容易である点と、２００℃を超える温度でも比較的安定している点において、レーザーパワーセンサのサーモパイル基板として適した材料である。
【００３５】
金属薄膜４、５及び５ａよりなる薄膜熱電対を構成する異種金属の組み合わせとしては、クロメル−アルメル、ＰｔＲｈ−Ｐｔ、クロメル−コンスタンタン、ナイクロシル−ナイシル、Ｃｕ−コンスタンタン、Ｆｅ−コンスタンタン、Ｉｒ−ＩｒＲｈ、Ｗ−Ｒｅ、Ａｕ−Ｐｔ、Ｐｔ−Ｐｄ、Ｂｉ−Ｓｂなどを用いることができる。好ましくは、使用温度範囲が広く、温度と熱起電力の関係が直線的である、クロメル−アルメルの組み合わせを用いるのが良い。
【００３６】
金属薄膜４、５及び５ａよりなる薄膜熱電対の形成方法としては、スパッタリング法、電子ビーム蒸着法、加熱蒸着法等の真空成膜法や、塗布法等を用いることができる。好ましくは、より薄く均一に薄膜を形成できる真空成膜法を用いるのが良い。さらに好ましくは、蒸着物質との原子組成のずれが少なく、均一に成膜ができるスパッタリング法を用いるのが良い。
【００３７】
金属薄膜４、５及び５ａよりなる薄膜熱電対は厚さ１〜２μｍ程度の保護膜１７により覆われていることが望ましい。保護膜１７は薄膜熱電対の耐環境性を高めると共に、薄膜熱電対が外力により変形した際に懸念されるクラックの発生を防ぐ効果もあるためである。適用可能な保護膜は、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３などを蒸着法、スパッタリング法、ディッピング法等により形成した絶縁膜、スクリーン印刷法によるポリイミドフィルムなどである。好ましくは、耐熱性および耐薬品性が高く、接着性の高いポリイミドフィルムを用いるのがよい。
【００３８】
接着剤層１２の材料は、熱伝導性が高く、絶縁体である材料を用いることができ、例えば、シリコーン系接着剤、エポキシ樹脂系接着剤等を用いることができる。
【００３９】
ヒートシンク２の材料は、熱伝導性の高いアルミニウム、銅、アルミシリコンカーバイド、窒化アルミニウムセラミックス、銅−タングステン合金、銅−モリブデン合金、等を用いることができる。好ましくは、より加工しやすいアルミニウムを用いる。また、ヒートシンク２の表面は黒色または白色アルマイト処理を施すと、さらに優れた放熱効果が得られると共に、その皮膜により強度が向上するため好ましい。
【００４０】
本実施形態では、光吸収体３は熱伝導体１３の表面に薄膜状に形成する。薄膜を構成する材料としては、金、ニッケル−リン合金、カーボンペースト、白金、窒化アルミニウム、等を用いることができ、測定するレーザー光の波長に依存して、適宜選択される。赤外領域では、金を低真空度で蒸着した黒化金（金黒）が一般的である。
【００４１】
熱伝導体１３の材料は、熱伝導性の高いアルミニウム、銅、アルミシリコンカーバイド、窒化アルミニウムセラミックス、などのアルミニウム合金、銅−タングステン合金、銅−モリブデン合金、等を用いることができる。
【００４２】
図２のサーモパイルＳ１において、基板１は直径２５ｍｍの円板状に成形したポリイミドフィルムを用い、金属薄膜４，５，５ａからなる薄膜熱電対はクロメル−アルメルを用い、スパッタリング法により、基板１上に薄膜熱電対を６０対、直列に接続されるように形成する。なお、図２では、熱電対の接続状態がわかるよう、数は間引いて図示している。この時、温接点７は中心から０．５ｍｍ、冷接点６は中心から１０ｍｍの位置に配設する。さらに、薄膜熱電対に基板１とは異なる厚さ１μｍ程度のポリイミドフィルムを接着し、それを保護膜とする。さらに、コネクタ部８上に、異方性導電体（ＡＣＦ）、フレキシブルフラットケーブル９をこの順に重ねて１５０℃程度に加熱して熱圧着する。なお、この時フレキシブルフラットケーブル９は金属線Ｃ１に、はんだ等を用いて接続されている。
【００４３】
上述のようにして得られたサーモパイルＳ１の周囲にアルミ製のフレーム１５を装着してサーモパイルＳ１の強度を確保し、筐体Ｆ１に収め、圧着部材１６としてネジを用いて係止する。この筐体Ｆ１は、サーモパイルＳ１が収まる形状で設計されているほか、ネジ等でフレーム１５を圧着できるような凸部を設けている。
【００４４】
一方、サーモパイルＳ１上の温接点７を覆う位置に、直径８ｍｍ、厚さ数μｍの光吸収体３が表面に成膜された直径１０ｍｍの熱伝導体１３、及び熱伝導体１３の外周に接するように配設された、幅１０ｍｍのドーナツ状の熱伝導体保持部材１４を備え、一体とした部材を作成する。この時、光吸収体３には金黒の薄膜、熱伝導体１３と熱伝導体保持部材１４には銅を用いる。
【００４５】
次に図３のように、熱伝導体１３に、シリコーン系接着剤を塗布し、接着剤層１２を介してサーモパイルＳ１上の温接点７上に熱伝導体１３が配設されるように接着する。さらに圧着部材１６としてネジを用いて、熱伝導体保持部材１４とネジが接するようにして筐体Ｆ１に設置する。
上述のようにして得られた光検出部Ｄ１は、金属線Ｃ１を介して演算部Ｃ２及び演算結果表示部Ｃ４を備えた機器に接続され、レーザーパワーセンサを得る。
【００４６】
［実施形態２］
本発明の実施形態２に係るレーザーパワーセンサは、測定するレーザー光のパワーが比較的大きい時に用いられ、放熱効率を高め、且つ熱伝導を抑制するために設計された箇所以外は、上述の実施形態１（図１）と同様な配置、材料で構成されている。以下、図４及び図５を参照し、実施形態１と比較して異なる点を説明する。
【００４７】
本発明の実施形態２に係るレーザーパワーセンサにおいて、光検出部Ｄ１には、図４に示すようなサーモパイルＳ２が備えられている。サーモパイルＳ２を構成する材料、配置、構成は上述の実施形態１と同様であるが、放熱効率を高めるため、スリット１１が設けられる。このスリット１１は、基板１において、冷接点６の間に均等な形状で設けられ、冷接点６の近傍の熱伝導を抑制することができる。このスリット１１の大きさ、数は、基板１上に設ける薄膜熱電対の組数、大きさに依存し、適当な大きさ、数とする。
さらに、冷接点６は図４のようにヒートシンク２に覆われる位置に配設されると好ましい。なお、この時ヒートシンク２は基板１の外周部を覆うように配設されると好ましい。
【００４８】
図５に示す構成のレーザーパワーセンサに対し、レーザー光が入射すると、光吸収体３に吸収され、熱に変換される。光吸収体３の半径方向の熱伝導性が高いほど、光吸収体３の温度が安定するまでの時間が早くなり、応答性が向上する。光吸収体３で発生した熱は、光吸収体３に接する熱伝導体１３、に伝導し、その熱の一部はさらに熱伝導体１３に接する接着剤層１２、保護膜１７を介して温接点７に到達するが、残りの熱は熱伝導体１３に設置されたヒートシンク２を介して放散される。したがって、測定するレーザー光のパワーが比較的大きい時には、上述の実施形態１（図３）における熱伝導体支持部材１４を、図５のようにヒートシンク２とすることにより、放熱効率を高め、光吸収体３の温度上昇を防ぐことができ、その結果、より高いパワーを有するレーザー光の測定を行うことができる。
【００４９】
上述のようにして得られた光検出部Ｄ１は、金属線Ｃ１を介して演算部Ｃ２及び演算結果表示部Ｃ４を備えた機器に接続されることにより、レーザーパワーセンサを得る。
【００５０】
上述のように、本発明の薄膜熱電対を用いたサーモパイルＳ１またはＳ２を搭載する光検出部Ｄ１を備えたレーザーパワーセンサは、熱容量の小さい薄膜熱電対を用いることにより、応答の速いレーザーパワーセンサとすることができる。また、ヒートシンク２、基板上のスリット１１等の放熱効果を高める機構を備えることにより、薄膜熱電対を備えたサーモパイルＳ１またはＳ２を用いるレーザーパワーセンサであっても、長時間安定して動作するレーザーパワーセンサとすることができる。さらに、熱伝導体１３を、サーモパイルＳ１またはＳ２と別部材として作成できる構成のため、製造工程を簡素化することができる。本発明により作製されたレーザーパワーセンサは、医療用レーザー、加工用レーザー等のパワー測定などに有用であると期待される。
【符号の説明】
【００５１】
Ｓ１，Ｓ２ サーモパイル
Ｃ１ 金属線
Ｃ２ 演算部
Ｃ３ 接続線
Ｃ４ 演算結果表示部
Ｄ１ 光検出部
Ｆ１ 筐体
１ 基板
２ ヒートシンク
３ 光吸収体
４，５，５ａ 金属薄膜
６ 冷接点
７ 温接点
８ コネクタ部
９ 金属線（フレキシブルフラットケーブル）
１０ 金属線接続部
１１ スリット
１２ 接着剤層
１３ 熱伝導体
１４ 熱伝導体支持部材
１５ フレーム
１６ 圧着部材
１７ 保護膜
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザーパワーセンサに係り、特に、熱型センサを備えたレーザーパワーセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、医療機器、通信機器、精密機器、分析機器、半導体・液晶等の分野において、レーザー装置の導入や普及が進んでおり、その用途やレーザー光源の種類も多岐にわたっている。例えば、医療機器分野ではレーザーメス等の治療器具、また、半導体・液晶分野ではレーザー加工機等のレーザー装置が使用されており、今後もレーザー装置の需要は増加すると予想されている。
このようなレーザー装置の構成要素として、レーザーパワーセンサは必須の構成要素の一つである。レーザーパワーセンサは、レーザー装置内で光源より照射されるレーザー光のパワー測定を行うために必要とされ、レーザー装置を安全且つ有効に使用するために不可欠な構成部品である。
【０００３】
レーザーパワーセンサは主として二種類に大別され、一方は、レーザー光を熱に変換して温度上昇を測定する熱型センサ、もう一方は結晶の温度変化に伴う焦電効果を利用した焦電型センサとして知られている。しかし、焦電型センサは、変化量に対応した出力電圧を信号として得るという原理から、変化量が小さい場合の長時間の測定には適しておらず、熱形センサが主流となっている。この熱型センサには、熱電対を用いたサーモパイルが備えられているのが一般的であり、このサーモパイルにおいて、レーザー光により与えられた熱エネルギーを電気エネルギーに変換し、その結果、レーザー光のパワーを測定することができる。
【０００４】
サーモパイルには、複数の熱電対からなる熱電対列が搭載されている。これは、単独の熱電対を用いた場合、十分な大きさの熱起電力が得られないためである。これら複数の熱電対は直列、あるいは並列に接続して形成することが可能であるが、直列に接続した場合には出力電圧を増大させることができるため、感度が良い測定が可能となる。さらに熱電対を直列に接続した場合、温度を空間的に平均化することができる。したがって、サーモパイルにおいては、熱電対を直列に接続したものが一般的に用いられている。また、サーモパイルは常温で動作し、レーザー光の入射エネルギー量に応じた電圧出力が得られ、比較的長寿命であるという利点を有している。さらに、測定波長に依存しない分光感度特性を有するため、様々な用途で用いることができる。
【０００５】
サーモパイルを用いる熱型センサに関し、特許文献１では、サーモパイルに直接レーザー光を照射する技術が提案されている。また、特許文献２では、熱容量の大きな光吸収体でレーザー光を吸収し、光吸収体の温度上昇を測定する技術が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開昭６４−７１１９２号公報
【特許文献２】特開２００３−２９４５２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
一般に熱型センサは、レーザー光が入射しはじめてから出力が安定するまでに時間を要するため、応答速度が遅いという問題がある。応答速度に関し、特許文献１では、レーザー光を直接サーモパイルに照射するため、レーザー光による温度変化に対し応答が速く、比較的有利である。しかし、レーザー光を直接照射する場合、サーモパイルに多大なエネルギーが吸収されることになるため、長時間の連続測定においては、特定箇所の異常過熱による故障等が発生しやすく、測定精度が低下するという問題がある。
【０００８】
これに対し、特許文献２では熱容量の大きな光吸収体（受光板）を設置し、複数の温度検出手段を用いて受光板の裏側の温度を検出し、その出力差分を考慮することにより、精度良くレーザーパワーを測定する技術が提案されている。この技術は熱型センサを用いる際に伴う応答速度低下という問題点を、温度検出位置と演算方法の工夫で解消したものといえるが、感度補正等の演算部分が複雑になるという問題点がある。
【０００９】
上述のように、熱型センサを用いたレーザーパワーセンサにおいて、応答性を向上させるためにサーモパイルに直接レーザー光を入射する場合、サーモパイルの損傷が生じやすい。一方、レーザー光を光吸収体で吸収する構成とした場合、応答性が低下する、という問題点がある。
【００１０】
さらに、測定するレーザーパワーが数Ｗという比較的大きなエネルギーを有する場合、発生熱量が大きいため、サーモパイルに備えられた薄膜熱電対の冷接点周囲まで熱が伝導しやすくなり、その結果、測定精度が悪くなるという問題点が挙げられる。
【００１１】
本発明の目的は、レーザーパワーセンサにおいて、簡単な構成で応答速度が速い熱型センサを提供することにある。また、本発明の他の目的は、レーザーパワーセンサにおいて、長時間使用しても測定精度の良い測定を行うことができる熱型センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
前記課題は、本発明に係るレーザーパワーセンサによれば、レーザー光の出力を測定するレーザーパワーセンサであって、一方の主面でレーザー光を受光する面状の光吸収体と、該光吸収体の前記主面と背向する面に接して配設された熱伝導体と、該熱伝導体に接するように配設された温度検出用のサーモパイルと、からなる光検出部と、を有し、前記サーモパイルは、基板上に、直列に接続された複数の薄膜熱電対と、該薄膜熱電対で発生する電圧を出力する導線を接続するためのコネクタ部と、前記薄膜熱電対上に積層された保護膜と、を有し、前記複数の薄膜熱電対は、基板上の略中央領域に一定の間隔を置いて配設された温接点と、基板上の略外周領域に一定の間隔を置いて配設された冷接点と、を有し、前記温接点は、前記熱伝導体に前記保護膜を介して接していること、により解決される。
【００１３】
このように、薄膜熱電対を搭載したサーモパイルは、熱容量が小さいため、レーザーパワーセンサの応答速度を向上させることができる。さらに光検出部に熱伝導体を備え、光吸収体から薄膜熱電対の温接点までの熱伝導速度を速くすることにより、レーザーパワーセンサの応答速度を向上させることができる。また、光検出部に光吸収体及び熱伝導体を備えているため、サーモパイルに直接過大なエネルギーが吸収されることがない。さらに、光検出部に、光透過窓、キャン及びステム等の容器を備えておらず、単純な構成としているため、レーザー光により得られたエネルギーを効率よく放出することができる。したがって、長時間安定したレーザーパワー測定を行うことができる。
【００１４】
このとき、請求項２のように、前記光検出部において、前記熱伝導体が、前記薄膜熱電対の冷接点と接触することなく配置されていると好適である。
このように薄膜熱電対の冷接点が、光吸収体にレーザー光が入射することにより発生した熱を、熱伝導体を介して受け取ることがないため、冷接点と温接点の温度差が明確になりやすく、精度の高いレーザーパワー測定を行うことができる。また、冷接点と熱伝導体が接触することがないため、レーザー光により発生した熱が冷接点まで伝導しにくく、したがって冷接点温度を別途管理することが容易となる。
【００１５】
また、請求項３のように、前記光検出部において、前記薄膜熱電対の冷接点及び前記サーモパイルの基板の外周部を覆う位置に配設されたヒートシンクを備えていると好ましい。
このとき、薄膜熱電対の冷接点部の温度を均一に保つことができ、光吸収体にレーザー光が吸収された際に発生する熱が冷接点へ伝導することがないため、温接点との温度差を大きくすることができ、その結果、精度の高いレーザーパワー測定を行うことができる。
【００１６】
さらにまた、請求項４のように、前記薄膜熱電対の冷接点近傍において、複数の冷接点間の基板に均等な形状のスリットを有していると好ましい。
このとき、薄膜熱電対の冷接点周囲の熱伝導を抑制し、且つ放熱効率を良くすることができるので、測定精度を向上させることができる。また、スリット形状を均一にすることにより、放熱特性も均一とすることができるため、冷接点温度を均一に制御しやすい。
【００１７】
また、請求項５のように、前記光検出部において、前記熱伝導体の外周部に、ヒートシンクを有していると好適である。
このとき、光吸収体により発生した熱は、熱伝導体を通して薄膜熱電対の温接点に伝導し、熱伝導体の外周方向に流れ、ヒートシンクから速やかに放散される。したがって測定するレーザー光のエネルギーが大きい場合であっても、サーモパイルの温度上昇が極度に大きくなることがないため、精度良く、且つ長時間にわたってレーザーパワー測定を行うことができる。
【００１８】
さらにまた、請求項６のように、前記サーモパイルのコネクタ部において、前記導線が、異方性導電体を介して接続されていると好ましい。
このとき、演算部及び演算結果表示部を備えた機器と、光検出部とを接続する金属線を、サーモパイルのコネクタ部に電気的接続を損なうことなく固定することができ、且つ接続部の強度も確保できるため、安定した動作をするレーザーパワーセンサを得ることができる。さらに、異方性導電体を用いてフレキシブルフラットケーブルを接続することができるため、レーザーパワーセンサの内部設計において自由度を確保することができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の請求項１のレーザーパワーセンサによれば、サーモパイルに熱容量の小さい薄膜熱電対を搭載することによりレーザーパワーセンサの応答速度を向上させることができる。また、光検出部に光吸収体及び熱伝導体を備えることにより、サーモパイルに直接過大なエネルギーが吸収されることがなく、長時間安定したレーザーパワー測定を行うことができる。
また請求項２の発明によれば、熱伝導体が、薄膜熱電対の冷接点と接触することなく配置されていて、冷接点が光吸収体及び熱伝導体からなる熱源から直接熱伝導を受けることがないため、冷接点と温接点の温度差が明確になりやすく、精度の高いレーザーパワー測定を行うことができる。
さらにまた、請求項３の発明によれば、薄膜熱電対の冷接点及びサーモパイル基板の外周部を覆うようにヒートシンクが配設されているため、薄膜熱電対の冷接点部の温度を均一に保つことができる。また、レーザー光により発生した熱が冷接点へ伝導することがないため、温接点との温度差を大きくすることができ、精度の高いレーザーパワー測定を行うことができる。
さらに請求項４の発明によれば、薄膜熱電対の冷接点近傍の基板に均等な形状のスリットを有するため、薄膜熱電対の冷接点周囲の熱伝導を抑制し、且つ放熱効率を良くすることができるので、測定精度が向上する。また、冷接点温度を均一に制御しやすくすることができる。
また請求項５の発明によれば、熱伝導体の外周部に、ヒートシンクを備えるため、光吸収体により発生した熱が速やかに熱伝導体中を流れてヒートシンクから放散される。したがって測定するレーザー光のエネルギーが大きい場合であっても、サーモパイルの温度上昇が極度に大きくなることがないため、精度良く、且つ長時間にわたってレーザーパワー測定を行うことができる。
さらに請求項６の発明によれば、サーモパイルのコネクタ部において異方接続されるため、接続用の導線と、サーモパイルとを電気的接続を損なうことなく確実に固定することができる。また、導線接続部の強度も確保できるため、導線が脱離しにくく、安定した動作をするレーザーパワーセンサを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の実施形態に係るレーザーパワーセンサの概略図である。
【図２】本発明の実施形態１に係るサーモパイルのパターン図である。
【図３】本発明の実施形態１に係る図１のＩ−Ｉ線に相当する断面図である。
【図４】本発明の実施形態２に係るサーモパイルのパターン図である。
【図５】本発明の実施形態２に係る図１のＩ−Ｉ線に相当する断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
本発明の実施形態に係るレーザーパワーセンサを図面に基づいて説明する。なお、以下に説明する材料、配置、構成等は、本発明を限定するものでなく、本発明の趣旨の範囲内で種々改変することができるものである。
図１乃至図３は本発明の実施形態１に係るもので、図１はレーザーパワーセンサの概略図、図２はサーモパイルのパターン図、図３は本発明の実施形態１に係る図１のＩ−Ｉ線に相当する断面図、図４及び図５は本発明の実施形態２に係るもので、図４はサーモパイルのパターン図、図５は図１のＩ−Ｉ線に相当する断面図である。
【００２２】
［実施形態１］
本発明の実施形態１に係るレーザーパワーセンサは、図１に示すように、光検出部Ｄ１、演算部Ｃ２及び演算結果表示部Ｃ４を備えた機器と、これら機器及び光検出部を接続する導線である金属線Ｃ１を備えている。光検出部Ｄ１はレーザー光を吸収する光吸収体３と、その下部にある熱伝導体１３（図３を参照）の外周部に備えられたヒートシンク２を筐体Ｆ１に保持されることにより形成されている。さらに光検出部Ｄ１は、金属線Ｃ１が接続されており、この金属線Ｃ１は演算部Ｃ２及び演算結果表示部Ｃ４を備えた機器に接続されている。なお、演算部Ｃ２はＣＰＵを備えており、接続線Ｃ３によって演算結果表示部Ｃ４と接続されていて、光検出部Ｄ１において計測された熱起電力はＣＰＵ上で演算・増幅することにより、演算部Ｃ２においてレーザー光のパワー値に換算され、演算結果表示部Ｃ４にその値が表示される。
【００２３】
実施形態１に係るレーザーパワーセンサの光検出部Ｄ１には、図２に示すようなサーモパイルＳ１が備えられている。なお、図２は測定するレーザー光のパワーが比較的小さい時に用いられるサーモパイルＳ１のパターン図である。サーモパイルＳ１は、基板１上に、金属薄膜４，５及び５ａよりなる直列に接続された複数の薄膜熱電対を備えている。
【００２４】
金属薄膜４及び５（５ａ）はそれぞれ異種材料であり、熱電対の温接点７において接合されている。ただし、金属薄膜５と５ａは同種材料とする。温接点７は、金属薄膜４及び５が重なるように接合されている。また、金属薄膜４及び５は、金属薄膜５ａ上に重なるように接合されていて、金属薄膜４及び５ａの接合点を冷接点６とし、金属薄膜４及び５（５ａ）よりなる熱電対が基板１上に複数組、直列に接続されている。
【００２５】
この時、温接点７は基板上の略中央領域に、また、冷接点６は略外周領域に一定の間隔を置いて配設されていれば良く、例えば、薄膜熱電対を十字状に配置してもよいし、図２のように放射状に配置しても良い。ただし、温接点７は光吸収体３及び光吸収体３の下部にある熱伝導体１３（図３を参照）に覆われる範囲に配設される。このとき、図２のように放射状に薄膜熱電対を形成すると、各冷接点６及び各温接点７の熱伝導が均一となり易いため、好ましい。また、冷接点６は、図３のように、熱伝導体１３と接触することなく配置されており、さらに図２中の一点鎖線で示されるドーナツ形状のヒートシンク２を設置する場合（図３では図示していないが、熱伝導体支持部材１４の代わりにヒートシンク２としてもよい）、ヒートシンク２に覆われる位置に配設されると好ましい。なお、この時ヒートシンク２は基板１の外周部を覆うように配設されると好ましい。
【００２６】
一般に、レーザー光が温接点７上に形成された光吸収体３（図３を参照）に吸収されて熱に変換され、冷接点６と温接点７に温度差が生じることで薄膜熱電対の電極間に起電力が生じる。ここで、放射率をη、サーモパイルＳ１の熱電対数をｎ、ゼーペック係数をα、熱伝導率をＧ、角周波数をω、熱時定数をｔとすると、サーモパイルの感度（Ｒｖ）は以下の式（１）で表される。
Ｒｖ＝η×ｎ×α／Ｇ（１＋ω２ｔ２）１／２ ［Ｖ／Ｗ］・・・（１）
したがって、設置する熱電対の数を増やすことにより、得られる熱起電力が大きくなり、感度の高いレーザーパワー測定が可能となる。
【００２７】
光検出部Ｄ１と演算部Ｃ２及び演算結果表示部Ｃ４を備えた機器の接続に関し、図２に示すように、基板１上に備えられたサーモパイルＳ１は、コネクタ部８上に薄い箔状の金属線９を積層させることにより電気的に接続され、さらに金属線９は、演算部Ｃ２に測定された熱起電力を伝達するため、金属線接続部１０に接続される。この時、金属線９及び金属線接続部１０の接続方法として、ワイヤボンディング、はんだ、レーザー溶接などを用いることができる。
また、コネクタ部８において、金属線９として、フレキシブルフラットケーブル９を用い、さらに異方性導電体（ＡＣＦ）を用いて、コネクタ部８と接続することもできる。これにより、作業が簡略化されると共に、薄膜熱電対と金属線Ｃ１の接続強度を向上させることができるため好ましい。
【００２８】
実施形態１は測定するレーザー光のパワーが比較的小さい場合の例であり、用いられる光検出部Ｄ１の断面図（図３）を用いて以下詳細に説明する。
熱伝導体１３の周囲には筐体Ｆ１及び圧着部材１６により保持されるため、熱伝導体支持部材１４が設置されている。なお、圧着部材１６として、筐体Ｆ１に圧着できる機能を有する部材を用いることができ、たとえば、ネジ、ボルト・ナット、ばね等を用いることができる。また、サーモパイルＳ１の外周にはフレーム１５が配設され、フレーム１５と圧着部材１６が接し、圧着部材１６がフレーム１５を筐体Ｆ１に押しつける構造とすることにより、筐体Ｆ１にサーモパイルＳ１が固定される。
【００２９】
さらにこの時、サーモパイルＳ１と熱伝導体１３の間に熱伝導性の良い接着剤で接着剤層１２を設けると、光吸収体３で発生した熱が、熱伝導体１３、さらに接着剤層１２を介して伝導しやすくなるため、熱伝導が早くなり、レーザーパワーセンサの応答速度が向上するため好ましい。また、接着剤層１２を設けることにより、各部材がより強固に固定されるという効果も得られる。
【００３０】
上述の構成のレーザーパワーセンサに対し、レーザー光が入射すると、光吸収体３に吸収され、熱に変換される。光吸収体３の半径方向の熱伝導性が高いほど、光吸収体３の温度が安定するまでの時間が早くなり、応答性が向上する。光吸収体３で発生した熱は、光吸収体３に接する熱伝導体１３、さらに熱伝導体１３に接する接着剤層１２、保護膜１７を介して温接点７に到達し、この時、冷接点６と温接点７に温度差が生じることで薄膜熱電対の電極間に起電力が生じる。この起電力を計測、演算処理し、レーザー光のパワー測定を行う。なお、測定するレーザー光のパワーが比較的大きい時には、光吸収体３の温度が上昇し続けてしまうため、ヒートシンク２を備えた構成とし、発生する熱を放散する。
光吸収体３は、光から熱への変換効率の良い材料を熱伝導体１３の表面に薄膜状に成膜して形成される。あるいは板状のバルク材を熱伝導体１３の上に置く構成でも良い。
【００３１】
上述の構成のレーザーパワーセンサは、サーモパイルＳ１に薄膜熱電対を搭載しているため、金属細線による熱電対を搭載した場合よりも熱容量が小さく、レーザーパワーセンサの応答速度を向上させることができる。また、熱伝導体に金属細線の熱電対を複数個取り付けるよりも、光検出部の組み立て工程を簡素化することができる。
また、熱伝導体１３とサーモパイルＳ１とを別部材として製造することができ、且つ単純な構成のレーザーパワーセンサとなるため、製造工程を簡素化することができる。
【００３２】
さらにまた、光検出機器には光透過窓、キャン及びステム等の容器が設けられているのが一般的であるが、上述の構成のレーザーパワーセンサは、光検出部Ｄ１に、光透過窓、キャン及びステム等の容器を備えていないため、レーザー光により得られたエネルギーを効率よく放出することができ、且つ製造工程を簡素化することができる。
【００３３】
なお、図２のサーモパイルＳ１を備えた光検出部Ｄ１において、図５のようにヒートシンク２を有しても良いし、図４のサーモパイルＳ２を備えた光検出部Ｄ１において、図３のようにヒートシンク２を備えない構造としても良く、測定するレーザー光のパワーに依存して適宜選択される。
【００３４】
サーモパイルＳ１を形成する基板１としては、ガラス、フィルムなどの耐熱性を有し、且つ熱伝導性が低い材料を用いることができる。
ガラス、フィルムは金属などの導電性のある基板のように、絶縁膜を形成する必要がないため、操作が煩雑になることが無く、好適である。また、フィルムはその可撓性により、サーモパイルＳ１及びＳ２の強度を高めることができるが、好ましくは熱伝導性の低いポリイミドフィルムを用いるのが良い。ポリイミドフィルムは、折り曲げることが可能で基板を数十ミクロンの厚さにしても壊れにくく取り扱いが容易である点と、２００℃を超える温度でも比較的安定している点において、レーザーパワーセンサのサーモパイル基板として適した材料である。
【００３５】
金属薄膜４、５及び５ａよりなる薄膜熱電対を構成する異種金属の組み合わせとしては、クロメル−アルメル、ＰｔＲｈ−Ｐｔ、クロメル−コンスタンタン、ナイクロシル−ナイシル、Ｃｕ−コンスタンタン、Ｆｅ−コンスタンタン、Ｉｒ−ＩｒＲｈ、Ｗ−Ｒｅ、Ａｕ−Ｐｔ、Ｐｔ−Ｐｄ、Ｂｉ−Ｓｂなどを用いることができる。好ましくは、使用温度範囲が広く、温度と熱起電力の関係が直線的である、クロメル−アルメルの組み合わせを用いるのが良い。
【００３６】
金属薄膜４、５及び５ａよりなる薄膜熱電対の形成方法としては、スパッタリング法、電子ビーム蒸着法、加熱蒸着法等の真空成膜法や、塗布法等を用いることができる。好ましくは、より薄く均一に薄膜を形成できる真空成膜法を用いるのが良い。さらに好ましくは、蒸着物質との原子組成のずれが少なく、均一に成膜ができるスパッタリング法を用いるのが良い。
【００３７】
金属薄膜４、５及び５ａよりなる薄膜熱電対は厚さ１〜２μｍ程度の保護膜１７により覆われていることが望ましい。保護膜１７は薄膜熱電対の耐環境性を高めると共に、薄膜熱電対が外力により変形した際に懸念されるクラックの発生を防ぐ効果もあるためである。適用可能な保護膜は、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３などを蒸着法、スパッタリング法、ディッピング法等により形成した絶縁膜、スクリーン印刷法によるポリイミドフィルムなどである。好ましくは、耐熱性および耐薬品性が高く、接着性の高いポリイミドフィルムを用いるのがよい。
【００３８】
接着剤層１２の材料は、熱伝導性が高く、絶縁体である材料を用いることができ、例えば、シリコーン系接着剤、エポキシ樹脂系接着剤等を用いることができる。
【００３９】
ヒートシンク２の材料は、熱伝導性の高いアルミニウム、銅、アルミシリコンカーバイド、窒化アルミニウムセラミックス、銅−タングステン合金、銅−モリブデン合金、等を用いることができる。好ましくは、より加工しやすいアルミニウムを用いる。また、ヒートシンク２の表面は黒色または白色アルマイト処理を施すと、さらに優れた放熱効果が得られると共に、その皮膜により強度が向上するため好ましい。
【００４０】
本実施形態では、光吸収体３は熱伝導体１３の表面に薄膜状に形成する。薄膜を構成する材料としては、金、ニッケル−リン合金、カーボンペースト、白金、窒化アルミニウム、等を用いることができ、測定するレーザー光の波長に依存して、適宜選択される。赤外領域では、金を低真空度で蒸着した黒化金（金黒）が一般的である。
【００４１】
熱伝導体１３の材料は、熱伝導性の高いアルミニウム、銅、アルミシリコンカーバイド、窒化アルミニウムセラミックス、などのアルミニウム合金、銅−タングステン合金、銅−モリブデン合金、等を用いることができる。
【００４２】
図２のサーモパイルＳ１において、基板１は直径２５ｍｍの円板状に成形したポリイミドフィルムを用い、金属薄膜４，５，５ａからなる薄膜熱電対はクロメル−アルメルを用い、スパッタリング法により、基板１上に薄膜熱電対を６０対、直列に接続されるように形成する。なお、図２では、熱電対の接続状態がわかるよう、数は間引いて図示している。この時、温接点７は中心から０．５ｍｍ、冷接点６は中心から１０ｍｍの位置に配設する。さらに、薄膜熱電対に基板１とは異なる厚さ１μｍ程度のポリイミドフィルムを接着し、それを保護膜とする。さらに、コネクタ部８上に、異方性導電体（ＡＣＦ）、フレキシブルフラットケーブル９をこの順に重ねて１５０℃程度に加熱して熱圧着する。なお、この時フレキシブルフラットケーブル９は金属線Ｃ１に、はんだ等を用いて接続されている。
【００４３】
上述のようにして得られたサーモパイルＳ１の周囲にアルミ製のフレーム１５を装着してサーモパイルＳ１の強度を確保し、筐体Ｆ１に収め、圧着部材１６としてネジを用いて係止する。この筐体Ｆ１は、サーモパイルＳ１が収まる形状で設計されているほか、ネジ等でフレーム１５を圧着できるような凸部を設けている。
【００４４】
一方、サーモパイルＳ１上の温接点７を覆う位置に、直径８ｍｍ、厚さ数μｍの光吸収体３が表面に成膜された直径１０ｍｍの熱伝導体１３、及び熱伝導体１３の外周に接するように配設された、幅１０ｍｍのドーナツ状の熱伝導体保持部材１４を備え、一体とした部材を作成する。この時、光吸収体３には金黒の薄膜、熱伝導体１３と熱伝導体保持部材１４には銅を用いる。
【００４５】
次に図３のように、熱伝導体１３に、シリコーン系接着剤を塗布し、接着剤層１２を介してサーモパイルＳ１上の温接点７上に熱伝導体１３が配設されるように接着する。さらに圧着部材１６としてネジを用いて、熱伝導体保持部材１４とネジが接するようにして筐体Ｆ１に設置する。
上述のようにして得られた光検出部Ｄ１は、金属線Ｃ１を介して演算部Ｃ２及び演算結果表示部Ｃ４を備えた機器に接続され、レーザーパワーセンサを得る。
【００４６】
［実施形態２］
本発明の実施形態２に係るレーザーパワーセンサは、測定するレーザー光のパワーが比較的大きい時に用いられ、放熱効率を高め、且つ熱伝導を抑制するために設計された箇所以外は、上述の実施形態１（図１）と同様な配置、材料で構成されている。以下、図４及び図５を参照し、実施形態１と比較して異なる点を説明する。
【００４７】
本発明の実施形態２に係るレーザーパワーセンサにおいて、光検出部Ｄ１には、図４に示すようなサーモパイルＳ２が備えられている。サーモパイルＳ２を構成する材料、配置、構成は上述の実施形態１と同様であるが、放熱効率を高めるため、スリット１１が設けられる。このスリット１１は、基板１において、冷接点６の間に均等な形状で設けられ、冷接点６の近傍の熱伝導を抑制することができる。このスリット１１の大きさ、数は、基板１上に設ける薄膜熱電対の組数、大きさに依存し、適当な大きさ、数とする。
さらに、冷接点６は図４のようにヒートシンク２に覆われる位置に配設されると好ましい。なお、この時ヒートシンク２は基板１の外周部を覆うように配設されると好ましい。
【００４８】
図５に示す構成のレーザーパワーセンサに対し、レーザー光が入射すると、光吸収体３に吸収され、熱に変換される。光吸収体３の半径方向の熱伝導性が高いほど、光吸収体３の温度が安定するまでの時間が早くなり、応答性が向上する。光吸収体３で発生した熱は、光吸収体３に接する熱伝導体１３、に伝導し、その熱の一部はさらに熱伝導体１３に接する接着剤層１２、保護膜１７を介して温接点７に到達するが、残りの熱は熱伝導体１３に設置されたヒートシンク２を介して放散される。したがって、測定するレーザー光のパワーが比較的大きい時には、上述の実施形態１（図３）における熱伝導体支持部材１４を、図５のようにヒートシンク２とすることにより、放熱効率を高め、光吸収体３の温度上昇を防ぐことができ、その結果、より高いパワーを有するレーザー光の測定を行うことができる。
【００４９】
上述のようにして得られた光検出部Ｄ１は、金属線Ｃ１を介して演算部Ｃ２及び演算結果表示部Ｃ４を備えた機器に接続されることにより、レーザーパワーセンサを得る。
【００５０】
上述のように、本発明の薄膜熱電対を用いたサーモパイルＳ１またはＳ２を搭載する光検出部Ｄ１を備えたレーザーパワーセンサは、熱容量の小さい薄膜熱電対を用いることにより、応答の速いレーザーパワーセンサとすることができる。また、ヒートシンク２、基板上のスリット１１等の放熱効果を高める機構を備えることにより、薄膜熱電対を備えたサーモパイルＳ１またはＳ２を用いるレーザーパワーセンサであっても、長時間安定して動作するレーザーパワーセンサとすることができる。さらに、熱伝導体１３を、サーモパイルＳ１またはＳ２と別部材として作成できる構成のため、製造工程を簡素化することができる。本発明により作製されたレーザーパワーセンサは、医療用レーザー、加工用レーザー等のパワー測定などに有用であると期待される。
【符号の説明】
【００５１】
Ｓ１，Ｓ２ サーモパイル
Ｃ１ 金属線
Ｃ２ 演算部
Ｃ３ 接続線
Ｃ４ 演算結果表示部
Ｄ１ 光検出部
Ｆ１ 筐体
１ 基板
２ ヒートシンク
３ 光吸収体
４，５，５ａ 金属薄膜
６ 冷接点
７ 温接点
８ コネクタ部
９ 金属線（フレキシブルフラットケーブル）
１０ 金属線接続部
１１ スリット
１２ 接着剤層
１３ 熱伝導体
１４ 熱伝導体支持部材
１５ フレーム
１６ 圧着部材
１７ 保護膜
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザー光の出力を測定するレーザーパワーセンサであって、
一方の主面でレーザー光を受光する面状の光吸収体と、
該光吸収体の前記主面と背向する面に接して配設された熱伝導体と、
該熱伝導体に接するように配設された温度検出用のサーモパイルと、からなる光検出部と、を有し、
前記サーモパイルは、基板上に、直列に接続された複数の薄膜熱電対と、
該薄膜熱電対で発生する電圧を出力する導線を接続するためのコネクタ部と、前記薄膜熱電対上に積層された保護膜と、を有し、
前記複数の薄膜熱電対は、基板上の略中央領域に一定の間隔を置いて配設された温接点と、基板上の略外周領域に一定の間隔を置いて配設された冷接点と、を有し、
前記温接点は、前記熱伝導体に前記保護膜を介して接していることを特徴とするレーザーパワーセンサ。
【請求項２】
前記光検出部において、前記熱伝導体が、前記薄膜熱電対の冷接点と接触することなく配置されていることを特徴とする請求項１に記載のレーザーパワーセンサ。
【請求項３】
前記光検出部において、前記薄膜熱電対の冷接点及び前記サーモパイルの基板の外周部を覆う位置に配設されたヒートシンクを備えることを特徴とする請求項１または２に記載のレーザーパワーセンサ。
【請求項４】
前記薄膜熱電対の冷接点近傍において、複数の冷接点間の基板に均等な形状のスリットを有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載のレーザーパワーセンサ。
【請求項５】
前記光検出部において、前記熱伝導体の外周部に、ヒートシンクを有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載のレーザーパワーセンサ。
【請求項６】
前記サーモパイルのコネクタ部において、前記導線が、異方性導電体を介して接続されてなることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載のレーザーパワーセンサ。
【請求項１】
レーザー光の出力を測定するレーザーパワーセンサであって、
一方の主面でレーザー光を受光する面状の光吸収体と、
該光吸収体の前記主面と背向する面に接して配設された熱伝導体と、
該熱伝導体に接するように配設された温度検出用のサーモパイルと、からなる光検出部と、を有し、
前記サーモパイルは、基板上に、直列に接続された複数の薄膜熱電対と、
該薄膜熱電対で発生する電圧を出力する導線を接続するためのコネクタ部と、前記薄膜熱電対上に積層された保護膜と、を有し、
前記複数の薄膜熱電対は、基板上の略中央領域に一定の間隔を置いて配設された温接点と、基板上の略外周領域に一定の間隔を置いて配設された冷接点と、を有し、
前記温接点は、前記熱伝導体に前記保護膜を介して接していることを特徴とするレーザーパワーセンサ。
【請求項２】
前記光検出部において、前記熱伝導体が、前記薄膜熱電対の冷接点と接触することなく配置されていることを特徴とする請求項１に記載のレーザーパワーセンサ。
【請求項３】
前記光検出部において、前記薄膜熱電対の冷接点及び前記サーモパイルの基板の外周部を覆う位置に配設されたヒートシンクを備えることを特徴とする請求項１または２に記載のレーザーパワーセンサ。
【請求項４】
前記薄膜熱電対の冷接点近傍において、複数の冷接点間の基板に均等な形状のスリットを有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載のレーザーパワーセンサ。
【請求項５】
前記光検出部において、前記熱伝導体の外周部に、ヒートシンクを有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載のレーザーパワーセンサ。
【請求項６】
前記サーモパイルのコネクタ部において、前記導線が、異方性導電体を介して接続されてなることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載のレーザーパワーセンサ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１０−２６１９０８（Ｐ２０１０−２６１９０８Ａ）
【公開日】平成２２年１１月１８日（２０１０．１１．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１１４７９３（Ｐ２００９−１１４７９３）
【出願日】平成２１年５月１１日（２００９．５．１１）
【出願人】（５９１１２４７６５）ジオマテック株式会社 (35)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１１月１８日（２０１０．１１．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年５月１１日（２００９．５．１１）
【出願人】（５９１１２４７６５）ジオマテック株式会社 (35)
【Ｆターム（参考）】
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