JP2021533996A - レーザービームの機械内プロファイリングのためのシステム、方法および装置 - Google Patents

Abstract

レーザーシステムは、プロセッサと非一時的な機械可読メモリとを含んでいるコントローラと、レーザービームを出力するように構成されているレーザーヘッドと、レーザーヘッドの反対側に位置付けられている加工用ベッドと、電子制御ユニットに通信可能に接続されており、かつ加工用ベッド内に統合されているパワーメータとを含んでいる。レーザーシステムはさらに、パワーメータとレーザーヘッドとの間に位置付けられているナイフエッジプレートと、非一時的な機械可読メモリに格納されている機械可読命令セットとを含んでおり、機械可読命令セットはプロセッサによる実行時に、レーザーシステムに、少なくとも、パワーメータからのある距離にレーザーヘッドを位置付けること、レーザーヘッドにレーザービームを出力させること、パワーメータにわたってレーザーヘッドを並進移動させること、レーザービームがパワーメータにわたって並進移動させられているときに、パワーメータからパワー信号を受信すること、およびパワー信号に基づいてスポットサイズを計算することを実行させる。

Description

関連出願

本願は、２０１８年８月９日に出願された米国仮特許出願第６２／７１６，５８９号明細書の優先権の利益を主張し、その内容は本明細書の依拠するところであって、その内容全体を参照により本明細書に援用するものとする。

本明細書は、広く、レーザービームのプロファイルを決定および制御するシステムおよび方法に関し、より詳細には、自動的に、レーザービームのスポットサイズを測定し、レーザーヘッドから加工用ベッドまでの距離と相関させる機械内システムおよび方法に関する。

レーザー切断システムは、基材内に熱応力を誘発し、基材材料を分断するために、レーザーによって材料を局所的に加熱する。幾つかのシステムは、基材材料に孔をあけるためにピコ秒レーザーを利用し、これによってダメージトラックを作製する。次に、このようなシステムは、基材材料を分断するためにこのダメージトラックに沿って熱応力を誘発するＣＯ_２レーザーを利用し得る。しかし、効果的に基材材料を切断するため、またはダメージトラックを有している基材材料を分断するためには、基材内での熱応力の誘発に最適なスポットサイズが基材の表面に入射するようにレーザー加工ヘッドが位置付けられるべきである。

したがって、切断レーザービームのスポットサイズを、レーザーヘッドから加工用ベッドまでの距離と相関させる代替的なシステムおよび方法に対するニーズが存在している。

実施形態では、レーザーシステムは、電子制御ユニットと、操縦可能な支持体と、レーザーヘッドと、加工用ベッドと、パワーメータと、ナイフエッジプレートと、機械可読命令セットとを含んでいてよく、電子制御ユニットは、プロセッサと非一時的な機械可読メモリとを含んでおり、操縦可能な支持体は、電子制御ユニットによって生成された制御信号が操縦可能な支持体の動きを制御するように電子制御ユニットに通信可能に接続されており、レーザーヘッドは、レーザービームを出力するように構成されており、加工用ベッドは、レーザーヘッドによって出力されたレーザービームが加工用ベッド上に配向されるようにレーザーヘッドの反対側に位置付けられており、パワーメータは、電子制御ユニットに通信可能に接続されており、かつ加工用ベッド内に統合されており、ナイフエッジプレートは、パワーメータとレーザーヘッドとの間に位置付けられており、ここでナイフエッジプレートは、パワーメータにわたって延在しているナイフエッジによって定められる阻止部分と透過部分とを形成し、機械可読命令セットは非一時的な機械可読メモリに格納されている。機械可読命令セットは、プロセッサによる実行時に、レーザーシステムに、少なくとも、次のことを実行させてよい。すなわち、パワーメータからの第１の距離にレーザーヘッドを位置付けること、レーザーヘッドにレーザービームを出力させること、レーザービームが阻止部分からナイフエッジを横断して透過部分へ並進移動させられるように、またはレーザービームが透過部分からナイフエッジを横断して阻止部分へ並進移動させられるように、パワーメータにわたってレーザーヘッドを並進移動させること、レーザービームがパワーメータにわたって並進移動させられているときに、パワーメータからパワー信号を受信すること、およびパワーメータから受信したパワー信号に基づいてレーザービームのスポットサイズを計算することを実行させてよい。

実施形態では、自動的に、レーザービームのスポットサイズを測定し、レーザーヘッドから加工用ベッドまでの距離と相関させる方法は、加工用ベッドからの第１の距離にレーザーヘッドを位置付けること、レーザーヘッドにレーザービームを出力させること、レーザービームが阻止部分からナイフエッジを横断して透過部分へ並進移動させられるように、またはレーザービームが透過部分からナイフエッジを横断して阻止部分へ並進移動させられるように、パワーメータにわたってレーザーヘッドを並進移動させること、レーザービームがパワーメータにわたって並進移動させられているときに、パワーメータからパワー信号を受信すること、パワーメータから受信したパワー信号に基づいてレーザービームのスポットサイズを計算することを含んでいてよい。ここで、加工用ベッドは、加工用ベッド内に統合されているパワーメータを含んでいてよい。

実施形態では、レーザー切断装置は操縦可能な支持体と、レーザーヘッドと、加工用ベッドと、パワーメータと、ナイフエッジプレートとを含んでいてよく、レーザーヘッドは、操縦可能な支持体に結合されており、かつレーザービームを出力するように構成されており、加工用ベッドは、レーザーヘッドによって出力されたレーザービームが加工用ベッド上に配向されるようにレーザーヘッドの反対側に位置付けられており、パワーメータは、加工用ベッド内に統合されており、ナイフエッジプレートは、パワーメータとレーザーヘッドとの間に位置付けられており、ここでナイフエッジプレートは、パワーメータにわたって延在しているナイフエッジによって定められる阻止部分と透過部分とを形成する。

本明細書において説明される実施形態によって提供されるこれらの特徴および付加的な特徴は、図面と併せて以下の詳細な説明を考察することでより完全に理解されるだろう。

図示されている実施形態は、本質的に例示的かつ模範的であり、特許請求の範囲によって定められている対象を制限することを意図するものではない。以下の図面と併せて読むことで、例示的実施形態の以下の詳細な説明を理解することができる。図面では、同じ構造体には同じ参照番号が付けられている。
本明細書において図示および説明されている１つ以上の実施形態に従った、基材を切断するためのレーザー機械を概略的に示している。 本明細書において図示および説明されている１つ以上の実施形態に従った、自動的に、レーザービームのスポットサイズを測定し、レーザーヘッドから加工用ベッドまでの距離と相関させる例示的なシステムを概略的に示している。 本明細書において図示および説明されている１つ以上の実施形態に従った、レーザー機械の加工用ベッドからの第１の距離にあるレーザーヘッドの断面図を概略的に示している。 本明細書において図示および説明されている１つ以上の実施形態に従った、レーザー機械の加工用ベッドからの第２の距離にあるレーザーヘッドの断面図を概略的に示している。 本明細書において図示および説明されている１つ以上の実施形態に従った、自動的に、レーザービームのスポットサイズを測定し、レーザーヘッドから加工用ベッドまでの距離と相関させる例示的な方法のフローチャートを示している。 本明細書において図示および説明されている１つ以上の実施形態に従った、自動的に、レーザービームのスポットサイズを測定し、レーザーヘッドから加工用ベッドまでの距離と相関させる別の例示的な方法のフローチャートを示している。 本明細書において図示および説明されている１つ以上の実施形態に従った、パワーメータによって測定されたパワー値からスポットサイズを決定する実例を示している。 本明細書において図示および説明されている１つ以上の実施形態に従った、阻止部分からナイフエッジを横断して透過部分へ並進移動させられるときの、阻止部分上に位置付けられたレーザービームの実例を示している。 本明細書において図示および説明されている１つ以上の実施形態に従った、阻止部分からナイフエッジを横断して透過部分へ並進移動させられるときの、ナイフエッジ上に位置付けられたレーザービームの実例を示している。 本明細書において図示および説明されている１つ以上の実施形態に従った、阻止部分からナイフエッジを横断して透過部分へ並進移動させられるときの、透過部分上に位置付けられたレーザービームの実例を示している。 本明細書において図示および説明されている１つ以上の実施形態に従った、スポットサイズと、レーザーヘッドから加工用ベッドまでの距離との間の相関の例示的な表現を示している。

本開示の実施形態は、レーザービームのプロファイルを決定および制御するシステムおよび方法に関し、より詳細には、自動的に、レーザービームのスポットサイズを測定し、レーザーヘッドから加工用ベッドまでの距離と相関させる機械内システムおよび方法に関する。基材を切断するためのレーザーは、波長、パワー、スポットサイズ等の幾つかの調整可能なパラメータを含んでいてよく、これらは、基材内の吸収および／または熱応力の誘発のために最適化されてよい。たとえば、幾つかの切断システムは、熱応力を導入し、基材材料を分断するために、ＣＯ_２レーザーによって基材を局所的に加熱する。所望の切断サイズおよび切断深さ、材料のタイプ等に関連して、レーザービームが基材の表面上に特定のスポットサイズを生成するように構成されてよい。レーザービームのスポットサイズは全般的に、レーザービームによって内部に熱応力が導入される、基材の表面領域に対応する。たとえば、基材上のＣＯ_２レーザースポットサイズの直径は、切断される基材に関連して、１ｍｍ〜１０ｍｍ変化してよい。

レーザービームのスポットサイズは、本明細書において「レーザーヘッドから加工用ベッドまでの距離」と称される、レーザーヘッドと基材との間の距離を制御することによって調整されてよい。本明細書において説明される実施形態は、レーザー切断機械内で、レーザーヘッドから加工用ベッドまでの距離を自動的に決定するシステムおよび方法に関する。さらに、このシステムおよび方法は、レーザーヘッドから加工用ベッドまでの距離に対する、レーザービームのスポットサイズの１つ以上の相関係数を生成する。本明細書において説明されるシステムおよび方法は、全般的に切断操作の実行前に必要とされる、単調で時間のかかる較正プロシージャおよび設定プロシージャを排除する。さらに、このシステムおよび方法によって操作者は、基材の加工のために開発されたコンピュータ数値制御（ＣＮＣ）コードが機械間で自由に転送され得るように１つ以上の相関係数を決定するために、自動的にレーザー切断機械を初期化することが可能になる。すなわち、１つ以上の相関係数によって、スポットサイズパラメータは、直接的に比較可能かつ機械間で転送可能であり得るパラメータになる。たとえば、切断操作用の、レーザーヘッドから基材までの距離を定めるＣＮＣコードの代わりに、ＣＮＣコードが所望のスポットサイズを定めてよく、ＣＮＣコードがロードされている特定のレーザー切断機械は、所望のスポットサイズを生成するために、レーザーヘッドから基材までの必要な距離を内部で決定してよい。

全般的に、本明細書において説明されるシステムおよび方法は、統合されているパワーメータとナイフエッジプレートとを有しているレーザー切断機械を利用する。ナイフエッジプレートは、パワーメータの部分にわたるナイフエッジを形成する。コントローラによって実行される事前構成された初期化プロセスは、レーザー切断機械に、レーザーをアクティブ化させ、レーザーヘッドから出力されたレーザービームがナイフエッジを横断して、ナイフエッジプレートからパワーメータのセンシング領域上に移動するようにレーザーヘッドを並進移動させてよい。パワーメータは、パワーメータのセンシング領域に入射するレーザービームに対応する１つ以上の信号を生成してよい。ナイフエッジを横断してレーザービームが並進移動させられるときにパワーメータによって生成される信号は、レーザービームのスポットサイズを計算するために使用されてよい。次にスポットサイズがレーザーヘッドから加工用ベッドまでの距離と相関させられてよい。レーザーヘッドから加工用ベッドまでの距離は幾つかの方法のうちの１つを通じて決定されてよい。たとえば、レーザー機械は、レーザー機械の加工用ベッドに関して原点復帰させられてよい。幾つかの実施形態では、レーザー機械内に測距デバイスが含まれていてよく、レーザーヘッドから加工用ベッドまでの距離測定値を提供してよい。ナイフエッジを横断してレーザービームを並進移動させることによってスポットサイズを決定するプロセスは、レーザー機械の作業範囲にわたって、スポットサイズと、レーザーヘッドから加工用ベッドまでの距離との間の相関を決定するために、種々の距離で繰り返されてよい。

自動的に、レーザービームのスポットサイズを測定し、レーザーヘッドから加工用ベッドまでの距離と相関させる種々の実施形態を以降で、添付の図面に具体的に言及して、より詳細に説明する。

ここで図１を参照すると、図１は、本明細書において説明されている１つ以上の実施形態に従った、基材を切断するためのレーザー機械を概略的に示している。示されているように、レーザー機械１００は、操縦可能な支持体１０５に結合されているレーザーヘッド１１０を含んでいる。操縦可能な支持体１０５は、ガントリタイプのシステム、ロボットアーム等であってよい。操縦可能な支持体１０５はレーザーヘッド１１０の支持と、１つ以上の自由度を伴ったレーザーヘッド１１０の制御された動きとを提供する。たとえば、示されているように、操縦可能な支持体１０５は水平部材１２０を含んでおり、ここでこの水平部材１２０は第１の端部でレーザーヘッド１１０に結合されており、第１の端部とは反対側の第２の端部で垂直部材１３０に結合されている。さらに、垂直部材１３０は支持構造体１４０と結合しており、ここでこの支持構造体１４０は、レーザー機械１００の加工用ベッド１６０の幅または長さにまたがって延在している。水平部材１２０が垂直部材１３０の長さに沿って＋Ｚ方向および−Ｚ方向において移動し得るように水平部材１２０が垂直部材１３０に結合されていてよい。たとえば、実施形態では、ねじ歯車等を動かすステッピングモータが上方への方向（すなわち、矢印Ａによって示されている方向）または下方への方向（すなわち、矢印Ｂによって示されている方向）において水平部材１２０を動かしてよく、これによってレーザーヘッドから加工用ベッドまでの距離ｄが調整される。さらに、垂直部材１３０が支持構造体１４０の長さに沿って＋Ｘ方向および−Ｘ方向において移動するように垂直部材１３０が支持構造体１４０に可動に結合されていてよい。たとえば、実施形態では、レーザー機械のナイフエッジ１８５および（本明細書において以下で詳細に説明する）加工用ベッド１６０内に統合されているパワーメータ１７０にわたってレーザーヘッドを並進移動させるために、ステッピングモータ等が左の方への方向（すなわち、矢印Ｃによって示されている方向）または右の方への方向（すなわち、矢印Ｄによって示されている方向）において垂直部材１３０を動かしてよい。

レーザーヘッド１１０は、レーザーと、基材を切断することができるレーザービーム１５０を生成し、出力するための光学系とを含んでいてよい。レーザーヘッド１１０によって出力されるレーザービーム１５０はレーザービームスポット１５５を含んでおり、ここでこのレーザービームスポット１５５のサイズは、レーザーヘッドから加工用ベッドまでの距離ｄに関連して変化し得る。レーザーは、意図されている基材の加工、たとえば切断、彫刻、溶接等に関連して、ＣＯ_２レーザー、Ｎｄレーザー、Ｎｄ：ＹＡＧレーザー、高出力ダイオードレーザー等を含んでいてよい。

本明細書に記載されているように、レーザー機械１００は、加工用ベッド１６０内に統合されているパワーメータ１７０を有している加工用ベッド１６０を含んでいる。パワーメータ１７０は、レーザービームを受け取り、レーザービームによって出力されるレーザーエネルギおよび／またはレーザーパワーに応じて１つ以上の信号を生成することができる任意のセンサまたはセンサシステムであってよい。たとえば、パワーメータは、フォトダイオード、サーモパイルパワーセンサ等を含んでいてよい。切断の適用中に、加工用ベッドはガラスプレート、ガラスセラミックプレート等の基材（図示されていない）を支持してよい。ナイフエッジプレート１８０も加工用ベッド１６０の表面上に支持されていてよく、かつパワーメータ１７０にわたってナイフエッジ１８５が形成され得るようにパワーメータ１７０の部分を覆うように位置付けられていてよい。すなわち、ナイフエッジプレート１８０は、パワーメータ１７０の一部を阻止し、これによって、ナイフエッジ１８５に沿って分けられている阻止部分１７２と透過部分１７４と定める。ナイフエッジ１８５は、剃刀の刃等のエッジによって定められていてよい。

幾つかの実施形態では、レーザー機械１００は、測距デバイス１１５を含んでいてよい。測距デバイス１１５は、レーザー機械１００に結合されていてよく、かつレーザーヘッドから加工用ベッドまでの距離ｄから距離を決定するように構成されていてよい。たとえば、測距デバイス１１５は、レーザーヘッド１１０に結合されていてよく、かつレーザーヘッドから加工用ベッドまでの距離ｄに対応する信号を生成するように加工用ベッド１６０に向けて配向されていてよい。図１には測距デバイス１１５が示されているが、幾つかのレーザー機械１００は、レーザーヘッドから加工用ベッドまでの距離ｄを決定するための他の手段を利用してよい。たとえば、レーザー機械１００は、加工用ベッド１６０に関してレーザーヘッド１１０を原点復帰させる較正ステップを実施してよい。原点復帰させられると、レーザー機械１００は、ステッピングモータの回転度に基づいてレーザーヘッドから加工用ベッドまでの距離ｄを決定することができる。ステッピングモータは、垂直部材１３０の長さに沿って水平部材１２０およびレーザーヘッド１１０の位置を制御する。すなわち、ステッピングモータの回転度は、＋Ｚ方向および−Ｚ方向における、垂直部材１３０に関する水平部材１２０の所定の線形変位に対応し得る。

ここで図２を参照すると、１つ以上の実施形態に従った、自動的に、レーザービームのスポットサイズを測定し、レーザーヘッドから加工用ベッドまでの距離と相関させる例示的なシステムが示されている。システム２００は全般的に、レーザー機械１００と計算デバイス２０１とを含んでいる。図１および図２を参照すると、レーザー機械は、通信経路２２０と、プロセッサ２３２と非一時的なコンピュータ可読メモリ２３４とを有している電子制御ユニット２３０と、操縦可能な支持体１０５と、ネットワークインターフェースハードウェア２１０と、レーザー２１２と、測距デバイス１１５と、パワーメータ１７０とを含んでいる。レーザー機械１００は、ネットワークインターフェースハードウェア２１０を経由してネットワーク２０５に通信可能に接続されていてよい。システム２００のコンポーネントはレーザー機械１００内に含まれていてよい、またはネットワーク２０５を通じて相互に相互接続されていてよい。システム２００の種々のコンポーネントおよびそれらの相互作用を以降に詳細に説明する。

通信経路２２０は、信号を伝送することができる任意の媒体、たとえば導線、配線、光ウェーブガイド等から形成されていてよい。通信経路２２０が、その中で電磁放射線およびそれらの対応する電磁波が交差する広域を指していてもよい。さらに、通信経路２２０が、信号を伝送することができる媒体の組み合わせから形成されていてよい。１つの実施形態では、通信経路２２０は、配線、導線、コネクタおよびバスの組み合わせを含んでおり、これらは、プロセッサ、メモリ、センサ、入力デバイス、出力デバイスおよび通信デバイス等のコンポーネントへの電気データ信号の伝送を可能にするために協働する。したがって、通信経路２２０はバスを含んでいてよい。さらに、用語「信号」は、媒体を通じて移動可能な、（たとえば電気的な、光学的な、磁気的な、機械的なまたは電磁的な）波形を意味するということに留意されたい。これはたとえば、ＤＣ、ＡＣ、正弦波、三角波、方形波、振動等である。通信経路２２０は、システム２００の種々のコンポーネントと通信可能に接続している。本明細書において使用するとき、用語「通信可能に接続されている」とは、接続されているコンポーネントが信号を相互に交換することができることを意味しており、たとえば、導電性の媒体を介して電気信号を交換することができ、空気を介して電磁信号を交換することができ、光ウェーブガイドを介して光信号を交換することができる等である。

引き続き図１および図２を参照すると、電子制御ユニット２３０は、プロセッサ２３２と非一時的なコンピュータ可読メモリ２３４とを含んでいる任意のデバイスまたはコンポーネントの組み合わせであってよい。システム２００のプロセッサ２３２は、非一時的なコンピュータ可読メモリ２３４に格納されている機械可読命令セットを実行することができる任意のデバイスであってよい。したがって、プロセッサ２３２は、電気的なコントローラ、集積回路、マイクロチップ、コンピュータまたは任意の他の計算デバイスであってよい。プロセッサ２３２は、通信経路２２０によって、システム２００の他のコンポーネントに通信可能に接続されていてよい。したがって、通信経路２２０は、任意の数のプロセッサ２３２を互いに通信可能に接続してよく、これによって、通信経路２２０に接続されているコンポーネントが分散コンピューティング環境において動作することが可能になる。特に、各コンポーネントは、データを送信および／または受信し得るノードとして動作してよい。図２に示されている実施形態が含んでいるプロセッサ２３２は１つであるが、他の実施形態は１つ以上のプロセッサ２３２を含んでいてよい。

システム２００の非一時的なコンピュータ可読メモリ２３４は、通信経路２２０に接続されていてよく、かつプロセッサ２３２に通信可能に接続されていてよい。非一時的なコンピュータ可読メモリ２３４は、ＲＡＭ、ＲＯＭ、フラシュメモリ、ハードドライブを含んでいてよい、または機械可読命令がプロセッサ２３２によってアクセス可能でありかつ実行可能であるように機械可読命令を格納することができる任意の非一時的なメモリデバイスを含んでいてよい。機械可読命令セットは、任意の世代（たとえば１ＧＬ、２ＧＬ、３ＧＬ、４ＧＬまたは５ＧＬ）の任意のプログラミング言語で書かれたロジックまたはアルゴリズムを含んでいてよく、これはたとえば、プロセッサ２３２によって直接的に実行され得る機械語またはアセンブリ言語、オブジェクト指向プログラミング（ＯＯＰ）、スクリプト言語、マイクロコード等であり、これは機械可読命令にコンパイルされてよく、またはアセンブルされてよく、かつ非一時的なコンピュータ可読メモリ２３４に格納されてよい。あるいは、機械可読命令セットは、ハードウェア記述言語（ＨＤＬ）で書かれていてよく、これはたとえばフィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ（ＦＰＧＡ）構成または特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）またはそれらの等価物を介して実装されるロジックである。したがって、本明細書において説明される機能性は、任意の従来のコンピュータプログラミング言語で、事前にプログラムされたハードウェア要素として、またはハードウェアコンポーネントとソフトウェアコンポーネントとの組み合わせとして実装されてよい。図２に示された実施形態が含んでいる非一時的なコンピュータ可読メモリ２３４は１つであるが、他の実施形態は１つ以上のメモリモジュールを含んでいてよい。

操縦可能な支持体１０５が、通信経路２２０を介して電子制御ユニット２３０に通信可能に接続されていてよい。上述のように、操縦可能な支持体１０５は、レーザーヘッド１１０を支持し、レーザーヘッド１１０の動きを制御する。操縦可能な支持体１０５は、ガントリタイプのシステム、ロボットアーム等であってよい。操縦可能な支持体１０５は１つ以上の自由度内でレーザーヘッド１１０の動きを制御するために１つ以上のステッピングモータ等を含んでいてよい。操縦可能な支持体１０５の動きを制御するために電子制御ユニット２３０が制御信号を１つ以上のステッピングモータに伝送するように、１つ以上のステッピングモータが電子制御ユニット２３０に通信可能に接続されていてよい。図１および図２は、ガントリタイプの構造に関して操縦可能な支持体１０５を示し、説明しているが、レーザーヘッド１１０の支持および制御された動きを実現するために他の構造が実装されてよいことを理解されたい。

引き続き図１および図２を参照すると、レーザー２１２は任意選択的に、レーザーヘッド１１０内にハウジングされており、かつ電子制御ユニット２３０に通信可能に接続されている。レーザー２１２は、ＣＯ_２レーザー、Ｎｄレーザー、Ｎｄ：ＹＡＧレーザー、高出力ダイオードレーザー等であってよい。レーザーのタイプは、実行されるレーザープロセスに関連する。たとえば、ガラス基材を切断する場合にはＣＯ_２レーザーが選択されてよい。電子制御ユニット２３０は、レーザー２１２を制御するために制御信号を生成してよい。たとえば、制御信号は、レーザー２１２のアクティブ化または非アクティブ化、レーザーのパワー出力の調整等を行ってよい。

レーザー機械１００は測距デバイス１１５を含んでいてよい。測距デバイス１１５は、対象物または表面までの距離を決定することができる任意のデバイスであってよい。たとえば、測距デバイス１１５は、能動的な測距方法を実行してよく、これはレーザー、レーダー、ソナー、ＬＩＤＡＲおよび／または超音波測距等である。実施形態では、測距デバイス１１５は、レーザー（たとえばレーザー距離測定器）を、レーザー放射を出力するために含んでいてよく、かつレーザー検出器を、対象物または表面からのレーザー放射の反射を検出するために含んでいてよい。本明細書において説明されるシステムおよび方法では、測距デバイス１１５はレーザーヘッド１１０に接続されていてよく、レーザー機械１００の加工用ベッド１６０までの距離の決定に応じて信号を生成するように位置付けられていてよい。

システム２００はさらに、図１に関して上述したようにパワーメータ１７０を含んでいる。レーザービーム１５０の検出されたパワーに対応する、パワーメータ１７０によって生成された信号が電子制御ユニット２３０に伝送されるように、パワーメータ１７０は、電子制御ユニット２３０に通信可能に接続されていてよい。パワーメータ１７０は、レーザービーム１５０を検出し、パワーメータ１７０のセンサに入射するレーザービーム１５０のパワーに対応する電子信号を生成することができる任意のデバイスであってよい。たとえば、パワーメータ１７０は、ＣＣＤアレイ、フォトダイオード、サーモパイルパワーセンサ等を、透過部分１７４を通じて透過されたレーザービーム１５０を測定するために含んでいてよい。幾つかの実施形態では、パワーメータ１７０は、ビームプロファイリングセンサまたはエネルギーセンサであってよい。

図１を参照して説明したように、レーザーヘッド１１０から出力されたレーザービーム１５０がパワーメータ１７０上に焦点合わせされ得るように、パワーメータ１７０がレーザー機械１００の加工用ベッド１６０内に統合されていてよい。このような構成によって、レーザービームによって生成されたレーザービームスポット１５５のスポットサイズを、その使用可能な構成において測定することが可能になる。すなわち、基材は、レーザー加工されるべきときに、加工用ベッド１６０上に配置されてよい。したがって、レーザーヘッドから加工用ベッドまでの距離ｄと相関させられたスポットサイズを、基材の厚さを考慮することによって、加工用ベッド１６０および基材に関して、測定されたスポットサイズと言い換えることができる。

ネットワークインターフェースハードウェア２１０が、通信経路２２０に接続されていてよく、かつプロセッサ２３２に通信可能に接続されていてよい。ネットワークインターフェースハードウェア２１０は、ネットワーク２０５を介してデータを伝送および／または受信することができる任意のデバイスであってよい。したがって、ネットワークインターフェースハードウェア２１０は、任意の有線通信または無線通信を送信および／または受信するために通信トランシーバを含むことができる。たとえば、ネットワークインターフェースハードウェア２１０は、アンテナ、モデム、ＬＡＮポート、Ｗｉ−Ｆｉカード、ＷｉＭａｘカード、移動体通信ハードウェア、近距離無線通信ハードウェア、衛星通信ハードウェアおよび／または他のネットワークおよび／またはデバイスとの通信のための任意の有線ハードウェアまたは無線ハードウェアを含んでいてよい。１つの実施形態では、ネットワークインターフェースハードウェア２１０は、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）無線通信プロトコールにしたがって動作するように構成されているハードウェアを含んでいる。別の実施形態では、ネットワークインターフェースハードウェア２１０は、ネットワーク２０５への／ネットワーク２０５からのＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）通信の送信および受信のためにＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）送信／受信モジュールを含んでいてよい。

幾つかの実施形態では、システム２００は、ネットワーク２０５を介して計算デバイス２０１に通信可能に接続されていてよい。幾つかの実施形態では、ネットワーク２０５は、システム２００と計算デバイス２０１とを通信可能に接続するためにＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）技術を利用するパーソナルエリアネットワークであってよい。ネットワーク２０５は、１つ以上のコンピュータネットワーク（たとえばパーソナルエリアネットワーク、ローカルエリアネットワークまたはワイドエリアネットワーク）、セルラネットワーク、衛星ネットワークおよび／または全地球測位システムおよびそれらの組み合わせを含んでいてよい。したがって、システム２００を、線、ワイドエリアネットワーク、ローカルエリアネットワーク、パーソナルエリアネットワーク、セルラネットワーク、衛星ネットワーク等を介して、ネットワーク２０５に通信可能に接続することができる。適切なローカルエリアネットワークは、有線イーサネットおよび／または無線技術、たとえばワイヤレス・フィディリティ（Ｗｉ−Ｆｉ）を含んでいてよい。適切なパーソナルエリアネットワークは無線技術、たとえばＩｒＤＡ（登録商標）、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）、ワイヤレスＵＳＢ、Ｚ−Ｗａｖｅ（登録商標）、ＺｉｇＢｅｅ（登録商標）および／または他の近距離無線通信プロトコールを含んでいてよい。適切なパーソナルエリアネットワークは、同様に、有線コンピューターバス、たとえばＵＳＢおよびＦｉｒｅＷｉｒｅ（登録商標）を含んでいてよい。適切なセルラネットワークは、ＬＴＥ（登録商標）、ＷｉＭＡＸ（登録商標）、ＵＭＴＳ、ＣＤＭＡおよびＧＳＭ（登録商標）等の技術を含んでいてよいが、これに制限されない。

引き続き図２を参照すると、上述のように、ネットワーク２０５は、システム２００、より詳細にはレーザー機械１００を計算デバイス２０１と通信可能に接続するために利用されてよい。計算デバイス２０１は、処理ユニット２０２、入力デバイス２０３およびディスプレイ２０４を含んでいてよく、これらのそれぞれは相互に通信可能に接続されていてよい、かつ／またはネットワーク２０５に通信可能に接続されていてよい。計算デバイス２０１は、レーザー機械１００とインターフェースで接続するために使用されてよい。たとえば、ユーザーが、計算デバイス２０１を使用して、レーザー機械１００によって基材を加工するためにＣＮＣコードを選択し、ロードしてよい。自動的に、レーザービームのスポットサイズを測定し、レーザーヘッドから加工用ベッドまでの距離と相関させるために、計算デバイス２０１が、パワーメータ１７０から信号を受信してもよい。計算デバイス２０１は、レーザー機械１００を制御するために使用されてもよく、そうでなければシステム２００の機能性を監視するために使用されてもよい。

計算デバイス２０１は、プロセッサとメモリとを有している処理ユニット２０２、入力デバイス２０３およびディスプレイ２０４を含んでいてよい。メモリは機械可読メモリ（これは非一時的なプロセッサ可読メモリとも称され得る）であってよい。メモリは揮発性のメモリおよび／または不揮発性のメモリ等として構成されていてよく、（ＳＲＡＭ、ＤＲＡＭおよび／または他のタイプのランダムアクセスメモリを含んでいる）ランダムアクセスメモリ、フラシュメモリ、レジスタ、コンパクトディスク（ＣＤ）、デジタル多用途ディスク（ＤＶＤ）および／または他のタイプのストレージコンポーネントを含んでいてよい。さらに、メモリは、ＣＮＣコード、レーザー機械のための相関係数および本明細書においてより詳細に説明されるように動作ロジックを格納するように構成されていてよい。

プロセッサは、（データストレージコンポーネントおよび／またはメモリ等から）プログラミング命令を受け取って実行するように構成されている任意の処理コンポーネントを含んでいてよい。命令は、データストレージコンポーネントおよび／またはメモリに格納されている機械可読命令セットの形態であってよい。入力デバイス２０３は、キーボード、マウス、カメラ、マイクロフォン、スピーカおよび／またはデータを受信する他のデバイスを含んでいてよい。計算デバイス２０１は、ネットワーク２０５およびレーザー機械１００との通信を可能にするためにネットワークインターフェースハードウェアを含んでいてもよい。

計算デバイス２０１がパーソナルコンピュータとして示されているが、これらは単に例であるということを理解されたい。より詳細には、幾つかの実施形態では、任意のタイプの計算デバイス（たとえばモバイル計算デバイス、パーソナルコンピュータ、サーバ等）が、計算デバイス２０１に対して利用されてよい。さらに、図２では、計算デバイス２０１はハードウェアの１つの部品として示されているが、これも例である。より詳細には、計算デバイス２０１は、複数のコンピュータ、サーバ、データベース等であってよい。

ここで以降の段落は、自動的に、レーザービームのスポットサイズを測定し、レーザーヘッドから加工用ベッドまでの距離と相関させるシステム２００の動作の実施形態を説明する。

図３Ａおよび図３Ｂを参照すると、本明細書において説明されている１つ以上の実施形態に従った、レーザー機械１００の加工用ベッド１６０からの種々の距離（ｄ_１，ｄ_２）にあるレーザーヘッド１１０の概略的な断面図が示されている。図３Ａおよび図３Ｂは、レーザービーム１５０を出力するレーザーヘッド１１０を示している。レーザービーム１５０は、上部にレーザースポットが形成される加工用ベッド１６０の表面に入射する。図３Ａに示されているように、レーザーヘッド１１０が加工用ベッド１６０からの第１の距離ｄ_１に位置付けられている場合、第１のスポットサイズを有するビームスポット１５５ａが、第１の幅ｗ_１を有するレーザービーム１５０によって形成されてよい。同様に、図３Ｂに示されているように、レーザーヘッド１１０が加工用ベッド１６０からの第２の距離ｄ_２に位置付けられている場合、第２のスポットサイズを有するビームスポット１５５ｂが、第２の幅ｗ_２を有するレーザービーム１５０によって形成されてよい。したがって、幾つかの実施形態では、レーザーヘッド１１０と加工用ベッド１６０（または、レーザー加工操作の間は場合によっては基材）との間の距離（ｄ_１，ｄ_２）が増大するときに、スポットサイズ（ｗ_１，ｗ_２）が低減され得る。幾つかの実施形態では、示されてはいないが、レーザーヘッド１１０と加工用ベッド１６０（または、レーザー加工操作の間は場合によっては基材）との間の距離（ｄ_１，ｄ_２）が低減されるときに、スポットサイズ（ｗ_１，ｗ_２）が増大し得る。幾つかの実施形態では、示されてはいないが、レーザーヘッド１１０と加工用ベッド１６０との間の距離（ｄ_１，ｄ_２）が増大するときに、スポットサイズ（ｗ_１，ｗ_２）も増大し得る。さらに別の実施形態では、レーザーヘッド１１０と加工用ベッド１６０との間の距離（ｄ_１，ｄ_２）が低減されるときに、スポットサイズ（ｗ_１，ｗ_２）も低減され得る。

レーザービームのスポットサイズを測定し、レーザーヘッドから加工用ベッドまでの距離と相関させるために、レーザー機械１００は、所定の距離ｄ（図１）で１つ以上のパワープロファイリング測定を完了するように構成されていてよい。さらに、レーザー機械の作業範囲にわたってレーザー機械を特徴付けるために、２つ以上のパワープロファイリング測定が、少なくとも２つの異なる距離（ｄ_１，ｄ_２）で完了されてよい。

ここで、１つ以上のパワープロファイリング測定を利用することによって、自動的に、レーザービームのスポットサイズを測定し、レーザーヘッドから加工用ベッドまでの距離ｄと相関させる方法を詳細に説明する。全般的に、加工用ベッド１６０および／またはパワーメータ１７０に入射したスポットサイズ（すなわちビーム幅）を決定するために、パワーメータ１７０によって生成されたパワー信号からパワープロファイルが作成され得るように、レーザービーム１５０がナイフエッジ１８５上で動かされてよい。レーザービーム１５０のスポットサイズ（すなわちビーム幅）をパワープロファイルから計算することができる。

ここで、図４を参照すると、１つ以上の実施形態に従った、自動的に、レーザービームのスポットサイズを測定し、レーザーヘッドから加工用ベッドまでの距離と相関させる例示的な方法のフローチャートが示されている。この方法のステップは、プロセッサがこれらのステップにアクセスし、これらのステップを実行し得るように電子制御ユニットまたは計算デバイスのメモリに格納されている機械可読命令のセットにおいて定められていてよい。ステップ４０２において、レーザーヘッドが、パワーメータからの距離ｄに位置付けられてよい。これは、水平部材の上方への動きおよび／または下方への動きを制御することによって実現されてよく、これによって、加工用ベッドからのレーザーヘッドの距離を調整する。上述のように、この距離は、原点復帰させられた位置からのステッピングモータの回転度に基づいて、または測距デバイスを利用することによって確認されてよい。測距デバイスは、レーザーヘッドから加工用ベッド（たとえば、パワーメータが加工用ベッド内に統合されているときにはパワーメータ）までの距離ｄに対応する信号を提供してよい。ステップ４０４において、電子制御ユニットが、レーザーヘッドからレーザービームを出力させてよい。ステップ４０６において、レーザービームがパワーメータの阻止部分からナイフエッジを横断してパワーメータの透過部分へ並進移動させられ得るように、レーザーヘッドがパワーメータにわたって並進移動させられてよい。幾つかの実施形態では、ステップ４０６において、レーザービームがパワーメータの透過部分からナイフエッジを横断してパワーメータの阻止部分へ並進移動させられ得るように、レーザーヘッドがパワーメータにわたって並進移動させられてよい。すなわち、レーザーヘッドを通じて出力されたレーザービームのプロファイルを生成するために、レーザーヘッドを阻止部分と透過部分との間でナイフエッジを横断して並進移動させるようにシステムおよび／または装置が構成されていてよい。手短に再び図１を参照すると、たとえば、レーザーヘッドとレーザーヘッドから出力されたレーザービームとが、加工用ベッド内に統合されているパワーメータとナイフエッジとにわたって並進移動させられるように、操縦可能な支持体の垂直部材が自動的に、ステッピングモータ等によって、支持構造体に沿って、＋Ｘ方向および−Ｘ方向において動かされてよい。ステップ４０８において、レーザービームがパワーメータにわたって並進移動させられているときに、パワーメータは、レーザービームのパワー値に相応するパワー信号を生成する。パワーメータによって生成された各パワー信号は、レーザービームにおける（たとえば図１における−Ｘ方向における）シフト（たとえばマイクロメータステップ）に対応する。電子制御ユニットおよび／または計算デバイスは、パワー信号を受信してよい。ステップ４１０において、電子制御ユニットおよび／または計算デバイスは、パワーメータから受信したパワー信号に基づいてレーザービームのスポットサイズ（これはビーム幅とも称され得る）を計算してよい。レーザービームのスポットサイズを計算する方法は、図５を参照してより詳細に説明する。

ステップ４１２において、計算されたスポットサイズと、対応する、パワーメータまでのレーザーヘッドの距離ｄとが電子制御ユニットおよび／または計算デバイスのメモリまたはデータストレージデバイスに格納されてよい。計算されたスポットサイズは、後に、特定のレーザー機械に対する、スポットサイズと距離との相関に対応する線形回帰モデルおよび関数を生成するために使用されてよい。単に１つの距離に対してではなく、特定の機械の作業可能範囲に対して、スポットサイズと、レーザーヘッドから加工用ベッドまでの距離との間の相関が所望されている場合には、この方法はステップ４１４に進んでよい。ステップ４１４において、レーザー機械の作業範囲に対して線形回帰を生成するために、レーザーヘッドから加工用ベッドまでの距離のセットに対して十分な数のスポットサイズ測定値が存在するか否かが判定されてよい。たとえば、２つ以上のスポットサイズ測定値と距離測定値とが、線形回帰を計算するために必要となり得る。線形回帰は、レーザー機械の作業範囲にわたるすべてのスポットサイズと距離とに対する相関を提供するだろう。幾つかの実施形態では、レーザー機械の作業範囲にわたる、レーザーヘッドから加工用ベッドまでの距離と、レーザービームスポットサイズとの間の相関を確立させるために、少なくとも３つまたは少なくとも４つの異なる距離に対して、少なくとも３つまたは少なくとも４つのスポットサイズ測定値が使用されてよい。本明細書において使用するとき、「作業範囲」は特定のレーザー機械のレーザーヘッドの潜在的な＋Ｚ変位および−Ｚ変位を指す。

種々の、レーザーヘッドから加工用ベッドまでの距離に対して、十分なスポットサイズ測定値が存在する場合には、次にステップ４１６において、距離に対するスポットサイズの関係の線形回帰が計算される。特定のレーザー機械に対する電子制御ユニットおよび／または計算デバイスに格納されている種々の距離に対して不十分な数のスポットサイズ測定値が存在している場合には、ステップ４１８において、別のレーザーヘッドから加工用ベッドまでの距離ｄが決定されてよく、第２のレーザーヘッドから加工用ベッドまでの距離ｄに対する別のスポットサイズ測定値を取得するために、プロセスはステップ４０２に戻る。

幾つかの実施形態では、システムは、並進移動と、複数の距離からのレーザービームパワーの測定とを順に自動的に実行するように事前構成されていてよい。たとえば、切断プロセスの前にレーザー機械が初期化されると、これらのステップが実行されて、相関（すなわち、レーザー機械の作業範囲内の、加工用ベッドまでのレーザーヘッドのすべての距離と、各々に対する、生成されたスポットサイズとの間の関係を表す線形関数または多項式関数）が計算されてよい。線形回帰の計算に基づいた、計算された相関は線形関数を表していてよく、計算された相関は古い相関と比較可能である、または後続の切断プロセス中の使用のために、レーザーシステムに格納可能である。新たな相関と古い相関とが異なっている場合には、古い相関が棄却されるべきか、または新たな相関またはレーザー設定に問題があり得るのかを判定するために、第３の相関が計算されてよい。

ここで図５を参照すると、１つ以上の実施形態に従った、自動的に、レーザービームのスポットサイズを測定し、レーザーヘッドから加工用ベッドまでの距離と相関させる例示的な方法のフローチャートが示されている。特に、このフローチャートに示されている方法は、パワーメータから受信したパワー信号からレーザービームのスポットサイズを計算するより詳細な例を提供する。ステップ５０２において、電子制御ユニットおよび／または計算デバイスは、パワーメータから受信したパワー信号からパワー値を決定してよい。ステップ５０４において、レーザービームの任意の部分がナイフエッジを横断して、レーザービームが完全にパワーメータの透過部分内にある（すなわち、パワーの最大量が、パワーメータによってセンシングされている）ポイントへ並進移動させられる前に収集されたパワー値から、パワー値の選択間隔が抽出される。幾つかの実施形態では、パワー値は、測定された最大パワーの第１のパーセンテージと測定された最大パワーの第２のパーセンテージとによって定められた間隔内で収集される。たとえば、第１のパーセンテージ値と第２のパーセンテージ値とが異なるように、第１のパーセンテージは、測定された最大パワーの０％から、測定された最大パワーの１００％までの任意の値であってよく、第２のパーセンテージは、測定された最大パワーの０％から、測定された最大パワーの１００％までの任意の値であってよい。より詳細には、第１のパーセンテージは測定された最大パワーの約５％、６％、７％、８％、９％、１０％、１１％、１２％、１３％、１４％、１５％、１６％、１７％、１８％、１９％または２０％であってよい。実施形態では、第１のパーセンテージは測定された最大パワーの約１５．０％、１５．１％、１５．２％、１５．３％、１５．４％、１５．５％、１５．６％、１５．７％、１５．８％、１５．９％または１６．０％または任意選択的に１５．８７％であってよい。第２のパーセンテージは測定された最大パワーの約７５％、７６％、７７％、７８％、７９％、８０％、８１％、８２％、８３％、８４％、８５％、８６％、８７％、８８％、８９％、９０％、９１％、９２％、９３％、９４％または９５％であってよい。実施形態では、第２のパーセンテージは測定された最大パワーの約８４．０％、８４．１％、８４．２％、８４．３％、８４．４％、８４．５％、８４．６％、８４．７％、８４．８％、８４．９％、８５．０％または任意選択的に８４．１４％であってよい。

ステップ５０６において、スポットサイズを決定するために、パワー値が誤差関数または多項式へとフィッティングされてよい。より詳細には、パワー値が誤差関数または多項式にフィッティングされると、第１のパーセンテージ値と関連するパワー値から第２のパーセンテージ値と関連するパワー値へのレーザービームのシフト（たとえばｘ方向のシフト、図１を参照）の絶対値によってスポットサイズが決定されてよい。誤差関数は以下の式１によって定められてよい。

幾つかの実施形態では、以下の式２を利用して、２つの隣接するデータポイントを微分することによって、スポットサイズの幅が決定されてよい。

式２によって、ビームにおける、特定のポイントｘでのパワーが表される。このタイプの導関数は、１／ｅ^２半径、すなわちｒを見つけるための２つの選択肢を起点として計算されてよい。第１の選択肢では、ｅ^２によって、最大値を微分プロットに分割し、ポイント間の直線外挿によって対応するｒ値を見つけ出すことによって見積もりが行われてよい。第２の選択肢は、データへのガウス関数のフィッティングを伴う。これによって、このフィッティングに関連する実験誤差を評価することが可能になる。

図６は、種々の、レーザーヘッドから加工用ベッドまでの距離で生成されたパワープロファイル曲線（すなわち、誤差関数を使用してフィッティングされたパワー値）を示すグラフを通じてプロセスを説明することによって、スポットサイズの決定のより包括的な説明を提供している。さらに、後で説明される図７Ａ、図７Ｂおよび図７Ｃは、レーザービームが阻止部分から、ナイフエッジを横断して透過部分へと並進移動する際のレーザービームの実例を提供している。図７Ａ、図７Ｂおよび図７Ｃの各々は、図６に示された例示的なグラフ上に示されている場所Ａ、ＢおよびＣに対応する。図６を参照すると、例示的なグラフは、４つの異なる、レーザーヘッドから加工用ベッドまでの距離（ｄ_１，ｄ_２，ｄ_３，ｄ_４）に対する、４つのパワープロファイル曲線を含んでいる。スポットサイズ（たとえばスポットサイズの幅および／または直径）を決定するために、最大パワー値の第１のパーセンテージに対するパワー値および第２のパーセンテージに対するパワー値が決定される。たとえば、１８Ｗが最大パワー値であり、第１のパーセンテージが１５．８７％であると想定する場合、第１のパワー値は２．８５６Ｗである。実例のために、水平な線が、１５．８７％によって示されている、グラフ上の２．８５６Ｗの第１のパワー値に引かれている。次に、８４．１４％の第２のパーセンテージが、１５．１４Ｗの第２のパワー値を定めている。ここでも、実例のために、第２のパワー値１５．１４Ｗに線が引かれており、これはパワープロファイル曲線と交差する（すなわち、８４．１４％によって示されている）。最大パワーの第１のパーセンテージおよび第２のパーセンテージと、各距離（ｄ_１，ｄ_２，ｄ_３，ｄ_４）でレーザーヘッドによって出力された各レーザービームに対するパワープロファイル曲線との交差点を取ることによって、対応するレーザースポットサイズが決定されてよい。すなわち、レーザーヘッドが距離ｄ_１にある場合、レーザービームはスポットサイズｗ_１を有し、レーザーヘッドが距離ｄ_２にある場合、レーザービームはスポットサイズｗ_２を有し、レーザーヘッドが距離ｄ_３にある場合、レーザービームはスポットサイズｗ_３を有し、レーザーヘッドが距離ｄ_４にある場合、レーザービームはスポットサイズｗ_４を有する。

スポットサイズ（ｗ_１，ｗ_２，ｗ_３，ｗ_４）は、パワーメータが第１のパワー値を測定した第１のＸ軸値から、パワーメータが第２のパワー値を測定した第２のＸ軸値への、（たとえば図１に示されている）Ｘ軸に沿ったレーザーヘッドの横方向の動きに対応する、レーザービームの変位から決定されてよい。本明細書において言及するとき、第２のＸ軸値と第１のＸ軸値との間の差は、「Ｘ方向のシフト」と称される。例として、距離ｄ_１でのレーザービームに対するパワープロファイル曲線を取ると、第１のパワー値での第１のＸ軸値は約２．７であり、第２のパワー値での第２のＸ軸値は約３．８である。したがって、第１のＸ軸値（すなわち２．７）から第２のＸ軸値（すなわち３．８）を減算することによってＸ方向のシフトが決定されてよく、これは結果として１．１になる。距離ｄ_１でのレーザービームのスポットサイズは１．１単位である。図６が測定の単位を含んでいないことに留意されたい。なぜなら、この図表は単に、スポットサイズを決定するための実例だからである。しかし、Ｘ方向のシフトは、測定されるレーザーのタイプおよび集光光学系に関連して、マイクロメートル、ミリメートル、センチメートル等のオーダーでの距離の測定の単位を指定してよい。

上述したように、図７Ａ、図７Ｂおよび図７Ｃは、レーザービームが阻止部分からナイフエッジを横断して透過部分へと並進移動する際のレーザービームの実例を示している。図７Ａ、図７Ｂおよび図７Ｃの各々は、図６に示された例示的なグラフ上に示されている場所Ａ、ＢおよびＣに対応する。図７Ａは、図６のグラフ上の場所Ａに対応し、これは、ゼロのパワー値を示している。なぜなら、レーザービーム１５０は完全に、ナイフエッジプレート１８０の阻止部分１７２上にあるからである。ナイフエッジプレート１８０は、パワーメータ１７０へのレーザービームの透過を阻止する。図７Ｂは、図６のグラフ上の場所Ｂに対応し、これは、レーザービームの半分が阻止部分１７２内にあり、残りの半分が透過部分１７４の方へナイフエッジ１８５を超えたポイントを表している。透過部分１７４によって、レーザービームがパワーメータ１７０へ透過することが可能になり、したがって、グラフは、約９Ｗのパワー値を示している（すなわち、最大パワー値の約１／２）。図７Ｃは、図６のグラフ上の場所Ｃに対応し、これは、レーザービームが完全に透過部分１７４内にあり、パワーメータが最大パワーレベルを検出している位置を表している。

図８を手短に参照すると、スポットサイズと、レーザーヘッドから加工用ベッドまでの距離との間の相関の例示的な表現が示されている。特に、線形回帰７１０が決定され、グラフを用いて示されている。ここでは、スポットサイズの実際の測定値が存在していないことがあっても、レーザーヘッドから加工用ベッドまでの距離各々に対して、対応するスポットサイズが決定されていてよい。

幾つかの実施形態では、レーザーヘッドから加工用ベッドまでの距離と、特定の機械のレーザービームのスポットサイズとの間の相関が決定されると、この相関が電子制御ユニットのメモリ内に格納され、基材の加工時に使用されてよい。たとえば、レーザー機械上でのレーザー切断プロセスのためにＣＮＣコードがアップロードされてよい。ＣＮＣコードは、レーザー切断プロセスの間に使用するために１つ以上のスポットサイズを指定してよく、これと並んで切断操作を実行するためにＸ軸並進移動ステップ幅およびＹ軸並進移動ステップ幅を指定してよい。レーザー機械の電子制御ユニットがＣＮＣコードを実行すると、レーザー機械は、レーザービームの必要なスポットサイズを生成するためにレーザーヘッドのＺ軸位置（すなわち、レーザーヘッドから加工用ベッドまでの距離）を設定するために、レーザー機械に対して決定された相関係数または式を利用してよい。

上述のように、Ｚ軸の位置付けとともに、またはＺ軸の位置付けの代わりに、スポットサイズをパラメータとして使用することによって、レーザーによって特定のスポットサイズを生成するために、種々の、レーザーヘッドから加工用ベッドまでの距離を必要とし得る種々のレーザー機械にＣＮＣコードが容易に実装されてよい。たとえば、第１のレーザー機械は、幅Ｗを有するレーザービームスポットサイズを生成するために、Ｚ軸位置が第１の距離に設定されていることを必要とし得る。第２のレーザー機械は、同じ幅Ｗを有するレーザービームスポットサイズを生成するために、Ｚ軸位置が第２の距離に設定されていることを必要とし得る。全般的に、ＣＮＣコードは、各レーザー機械に対して特有に書かれる必要があるだろう、または各レーザー機械へのアップロード時に手動で更新および／また較正される必要があるだろう。しかし、本明細書において説明されたシステムおよび方法を使用することによって、付加的な較正ステップまたは調整ステップを行わず、同じＣＮＣコードが種々のレーザー機械にアップロードされてよい。

さらなる例として、基材を加工するためのレーザー機械の初期化時に、機械が自動的に、加工用ベッドから異なる距離にあるレーザーヘッドによる、ナイフエッジおよびパワーメータ上のレーザーの２回以上の通過を実行してよい。レーザー機械の電子制御ユニットは、パワーメータからパワー信号を受信し、初期化プロセス中の各距離走行に対するスポットサイズを決定してよい。次に、各距離に対する、レーザーヘッドから加工用ベッドまでの距離とスポットサイズとの間の相関が決定され、電子制御ユニットのメモリ内に格納されてよい。所定の厚さを有する基材が、加工用ベッド上に位置付けられ、基材の所望の加工のためのＣＮＣコードが電子制御ユニット内へロードされてよい。電子制御ユニットがＣＮＣコードを実行し、基材を加工するときに、基材を加工するためのＣＮＣコードにおいて定められているレーザービームスポットサイズの生成に必要な、レーザーヘッドから加工用ベッドまでの距離（たとえばＺ軸位置）を決定するために、電子制御ユニットは、相関（たとえば係数または式）にアクセスし得る。ある状況では、レーザービームスポットサイズを加工用ベッドの表面から基材の表面へ（すなわちＺ軸に沿って）並進移動させるために、レーザーヘッドから加工用ベッドまでの距離が、基材の所定の厚さぶんオフセットされてよい。なぜなら、ナイフエッジおよびパワーメータが統合されている、加工用ベッドの表面で、相関が決定されていることがあるからである。

ここで、レーザービームを阻止部分１７２からナイフエッジを横断して透過部分１７４へ並進移動させることによって、パワープロファイルがレーザービームに対して生成されてよいということを理解されたい。このパワープロファイルから、レーザービームのスポットサイズ（すなわち幅または直径）が、特定の、レーザーヘッドから加工用ベッドまでの距離に対して決定されてよい。このようなデータポイントは、後の照合または分析のために、電子制御ユニットおよび／または計算デバイスのメモリ内に格納されていてよい。データポイントの分析は、データポイントのセットに対する線形回帰の決定を含んでいてよく、これによって、距離値とスポットサイズとの間の相関が、レーザー機械の作業範囲に対して生成される。この相関によって、基材を加工（たとえば切断）するためのＣＮＣコードを、あるレーザー機械から別のレーザー機械へと自由に移すことが可能になる。すなわち、スポットサイズが、対応する、特定の機械に対するレーザーヘッドから加工用ベッドまでの距離と相関させられてよい。たとえば、実施形態では、１つの機械が第１の距離を使用してスポットサイズを生成してよく、他方で第２のレーザー機械が、第２の距離を使用して同じスポットサイズを生成してよい。相関（たとえば、レーザーヘッドから加工用ベッドまでの距離とスポットサイズとの間の計算された関係を表す線形関数または多項式関数）を使用することによって、種々のレーザー機械によって所望のスポットサイズが生成されてよい。この際に、各特定のレーザー機械に対するＣＮＣコードを変更する必要はない。

用語「実質的に」および「約」は、本明細書では、任意の定量的な比較、値、測定値または他の表現に帰属し得る固有の不確実性の程度を表すために利用されていてよいということに留意されたい。これらの用語は、本明細書において、論争の対象の基本的な機能の変化を結果としてもたらすことなく、記載された基準から定量的な表現が変化し得る程度を表すためにも利用される。

本明細書において特定の実施形態を図示し、説明したが、特許請求の範囲に記載された対象の精神および範囲を逸脱することなく、種々の他の変更および修正が行われ得るということを理解されたい。さらに、本明細書において、特許請求の範囲に記載された対象の種々の態様が説明されたが、このような態様が組み合わせて利用される必要はない。したがって、従属請求項が、特許請求の範囲に記載された対象の範囲内のすべてのこのような変更および修正を包含することが意図されている。

以下、本発明の好ましい実施形態を項分け記載する。

実施形態１
レーザーシステムであって、
電子制御ユニットと、
操縦可能な支持体と、
レーザーヘッドと、
加工用ベッドと、
パワーメータと、
ナイフエッジプレートと、
機械可読命令セットとを含んでおり、
前記電子制御ユニットは、プロセッサと非一時的な機械可読メモリとを含んでおり、
前記操縦可能な支持体は、前記電子制御ユニットによって生成された制御信号が前記操縦可能な支持体の動きを制御するように前記電子制御ユニットに通信可能に接続されており、
前記レーザーヘッドは、レーザービームを出力するように構成されており、
前記加工用ベッドは、前記レーザーヘッドによって出力された前記レーザービームが前記加工用ベッド上に配向されるように前記レーザーヘッドの反対側に位置付けられており、
前記パワーメータは、前記電子制御ユニットに通信可能に接続されており、かつ前記加工用ベッド内に統合されており、
前記ナイフエッジプレートは、前記パワーメータと前記レーザーヘッドとの間に位置付けられており、ここで前記ナイフエッジプレートは、前記パワーメータにわたって延在しているナイフエッジによって定められる阻止部分と透過部分とを形成し、
前記機械可読命令セットは前記非一時的な機械可読メモリに格納されており、前記プロセッサによる実行時に、前記レーザーシステムに、少なくとも
前記パワーメータからの第１の距離に前記レーザーヘッドを位置付けること、
前記レーザーヘッドに前記レーザービームを出力させること、
前記レーザービームが前記阻止部分から前記ナイフエッジを横断して前記透過部分へ並進移動させられるように、または前記レーザービームが前記透過部分から前記ナイフエッジを横断して前記阻止部分へ並進移動させられるように、前記パワーメータにわたって前記レーザーヘッドを並進移動させること、
前記レーザービームが前記パワーメータにわたって並進移動させられているときに、前記パワーメータからパワー信号を受信すること、および
前記パワーメータから受信した前記パワー信号に基づいて前記レーザービームのスポットサイズを計算すること
を実行させる、レーザーシステム。

実施形態２
前記機械可読命令セットは、実行時に、さらに、前記プロセッサに、前記スポットサイズおよび前記第１の距離を前記非一時的な機械可読メモリに格納することを実行させる、実施形態１記載のレーザーシステム。

実施形態３
前記機械可読命令セットは、実行時に、さらに、前記プロセッサに、
前記パワーメータからの第２の距離に前記レーザーヘッドを位置付けること、
前記レーザーヘッドに前記レーザービームを出力させること、
前記レーザービームが前記阻止部分から前記ナイフエッジを横断して前記透過部分へ並進移動させられるように、または前記レーザービームが前記透過部分から前記ナイフエッジを横断して前記阻止部分へ並進移動させられるように、前記パワーメータにわたって前記レーザーヘッドを並進移動させること、
前記レーザービームが前記パワーメータにわたって並進移動させられているときに、前記パワーメータから前記パワー信号を受信すること、
前記パワーメータから受信した前記パワー信号に基づいて前記第２の距離での前記レーザービームの第２のスポットサイズを計算すること、および
前記第２のスポットサイズおよび前記第１の距離を前記非一時的な機械可読メモリに格納すること
を実行させる、実施形態１または２記載のレーザーシステム。

実施形態４
前記機械可読命令セットは、実行時に、さらに、前記プロセッサに、
前記スポットサイズと、前記第１の距離と、前記第２のスポットサイズと、前記第２の距離とに対応するデータポイントを検索すること、および
前記データポイントの間の線形回帰を計算すること
を実行させ、前記線形回帰は、前記レーザーヘッドから前記加工用ベッドまでとして定められた距離に対する前記スポットサイズの相関係数を定める、実施形態３記載のレーザーシステム。

実施形態５
前記機械可読命令セットは、実行時に、さらに、前記プロセッサに、
前記パワーメータから受信した前記パワー信号からパワー値を決定すること、
最大パワー値の第１のパーセンテージで生じている第１のパワー値と、前記最大パワー値の第２のパーセンテージで生じている第２のパワー値とを決定すること、および
前記第１のパワー値から前記第２のパワー値への移行の間の前記レーザービームの変位に基づいて前記スポットサイズを決定すること
を実行させる、実施形態１記載のレーザーシステム。

実施形態６
前記機械可読命令セットは、実行時に、さらに、前記プロセッサに、
前記パワー信号からの前記パワー値を誤差関数へとフィッティングすること
を実行させる、実施形態５記載のレーザーシステム。

実施形態７
測距デバイスをさらに含んでおり、
前記測距デバイスは、前記レーザーヘッドから前記加工用ベッドまでの前記第１の距離に対応する距離信号を生成するように構成されており、前記機械可読命令セットは、実行時に、さらに、前記プロセッサに、
前記測距デバイスからの前記距離信号に基づいて前記パワーメータからの前記第１の距離に前記レーザーヘッドを調整することを実行させる、実施形態１から６までのいずれか１つ記載のレーザーシステム。

実施形態８
前記レーザーヘッドはレーザーを含んでおり、前記レーザーはＣＯ_２レーザーである、実施形態１から７までのいずれか１つ記載のレーザーシステム。

実施形態９
前記パワーメータはサーモパイルパワーセンサを含んでいる、実施形態１から８までのいずれか１つ記載のレーザーシステム。

実施形態１０
自動的に、レーザービームのスポットサイズを測定し、レーザーヘッドから加工用ベッドまでの距離と相関させる方法であって、前記方法は、
加工用ベッド内に統合されているパワーメータを含んでいる前記加工用ベッドからの第１の距離にレーザーヘッドを位置付けるステップ、
前記レーザーヘッドに前記レーザービームを出力させるステップ、
前記レーザービームが阻止部分からナイフエッジを横断して透過部分へ並進移動させられるように、または前記レーザービームが前記透過部分から前記ナイフエッジを横断して前記阻止部分へ並進移動させられるように、前記パワーメータにわたって前記レーザーヘッドを並進移動させるステップ、
前記レーザービームが前記パワーメータにわたって並進移動させられているときに、前記パワーメータからパワー信号を受信するステップ、および
前記パワーメータから受信した前記パワー信号に基づいて前記レーザービームの前記スポットサイズを計算するステップ
を含んでいる、方法。

実施形態１１
前記スポットサイズおよび前記第１の距離を非一時的な機械可読メモリに格納するステップをさらに含んでいる、実施形態１０記載の方法。

実施形態１２
前記パワーメータからの第２の距離に前記レーザーヘッドを位置付けるステップ、
前記レーザーヘッドに前記レーザービームを出力させるステップ、
前記レーザービームが前記阻止部分から前記ナイフエッジを横断して前記透過部分へ並進移動させられるように、または前記レーザービームが前記透過部分から前記ナイフエッジを横断して前記阻止部分へ並進移動させられるように、前記パワーメータにわたって前記レーザーヘッドを並進移動させるステップ、
前記レーザービームが前記パワーメータにわたって並進移動させられているときに、前記パワーメータから前記パワー信号を受信するステップ、
前記パワーメータから受信した前記パワー信号に基づいて前記第２の距離での前記レーザービームの第２のスポットサイズを計算するステップ、および
前記第２のスポットサイズおよび前記第２の距離を非一時的な機械可読メモリに格納するステップ
をさらに含んでいる、実施形態１０または１１記載の方法。

実施形態１３
前記スポットサイズと、前記第１の距離と、前記第２のスポットサイズと、前記第２の距離とに対応するデータポイントを検索するステップ、および
前記データポイントの間の線形回帰を計算するステップ
をさらに含んでおり、前記線形回帰は、前記加工用ベッドまでの前記レーザーヘッドの距離に対する前記スポットサイズの相関係数を定める、実施形態１２記載の方法。

実施形態１４
前記パワーメータから受信した前記パワー信号からパワー値を決定するステップ、
最大パワー値の第１のパーセンテージで生じている第１のパワー値と、前記最大パワー値の第２のパーセンテージで生じている第２のパワー値とを決定するステップ、および
前記第１のパワー値から前記第２のパワー値への移行の間の前記レーザービームの変位に基づいて前記スポットサイズを決定するステップ
をさらに含んでいる、実施形態１０記載の方法。

実施形態１５
前記パワー信号からの前記パワー値を誤差関数へとフィッティングするステップをさらに含んでいる、実施形態１４記載の方法。

実施形態１６
前記加工用ベッドまでの前記レーザーヘッドからの前記第１の距離に対応する前記距離信号を生成するように構成されている測距デバイスからの距離信号に基づいて前記第１の距離に前記レーザーヘッドを調整するステップをさらに含んでいる、実施形態１０から１５までのいずれか１つ記載の方法。

実施形態１７
前記レーザーヘッドはレーザーを含んでおり、前記レーザーはＣＯ_２レーザーである、実施形態１０から１６までのいずれか１つ記載の方法。

実施形態１８
前記パワーメータはサーモパイルパワーセンサを含んでいる、実施形態１０から１７までのいずれか１つ記載の方法。

実施形態１９
レーザー切断装置であって、
操縦可能な支持体と、
レーザーヘッドと、
加工用ベッドと、
パワーメータと、
ナイフエッジプレートとを含んでおり、
前記レーザーヘッドは、前記操縦可能な支持体と結合されており、かつレーザービームを出力するように構成されており、
前記加工用ベッドは、前記レーザーヘッドによって出力された前記レーザービームが前記加工用ベッド上に配向されるように前記レーザーヘッドの反対側に位置付けられており、
前記パワーメータは、前記加工用ベッド内に統合されており、
前記ナイフエッジプレートは、前記パワーメータと前記レーザーヘッドとの間に位置付けられており、ここで前記ナイフエッジプレートは、前記パワーメータにわたって延在しているナイフエッジによって定められる阻止部分と透過部分とを形成する、レーザー切断装置。

実施形態２０
前記レーザーヘッドは、前記レーザービームを出力し、
前記操縦可能な支持体は、前記レーザービームが前記阻止部分から前記ナイフエッジを横断して前記透過部分へ並進移動させられるように、または前記レーザービームが前記透過部分から前記ナイフエッジを横断して前記阻止部分へ並進移動させられるように、前記レーザーヘッドを前記パワーメータにわたって自動的に並進移動させるように構成されており、
前記パワーメータは、前記レーザービームが前記阻止部分から前記ナイフエッジを横断して前記透過部分へ並進移動させられているときに、前記レーザービームに対応するパワー信号を生成する、実施形態１９記載のレーザー切断装置。

Claims (5)

1. レーザーシステム（１００）であって、
   電子制御ユニット（２３０）と、
   操縦可能な支持体（１０５）と、
   レーザーヘッド（１１０）と、
   加工用ベッド（１６０）と、
   パワーメータ（１７０）と、
   ナイフエッジプレート（１８０）と、
   機械可読命令セットとを含んでおり、
   前記電子制御ユニット（２３０）は、プロセッサ（２３２）と非一時的な機械可読メモリ（２３４）とを含んでおり、
   前記操縦可能な支持体（１０５）は、前記電子制御ユニット（２３０）によって生成された制御信号が前記操縦可能な支持体（１０５）の動きを制御するように前記電子制御ユニット（２３０）に通信可能に接続されており、
   前記レーザーヘッド（１１０）は、レーザービーム（１５０）を出力するように構成されており、
   前記加工用ベッド（１６０）は、前記レーザーヘッド（１１０）によって出力された前記レーザービーム（１５０）が前記加工用ベッド（１６０）上に配向されるように前記レーザーヘッド（１１０）の反対側に位置付けられており、
   前記パワーメータ（１７０）は、前記電子制御ユニット（２３０）に通信可能に接続されており、かつ前記加工用ベッド（１６０）内に統合されており、
   前記ナイフエッジプレート（１８０）は、前記パワーメータ（１７０）と前記レーザーヘッド（１１０）との間に位置付けられており、ここで前記ナイフエッジプレート（１８０）は、前記パワーメータ（１７０）にわたって延在しているナイフエッジ（１８５）によって定められる阻止部分（１７２）と透過部分（１７４）とを形成し、
   前記機械可読命令セットは前記非一時的な機械可読メモリ（２３４）に格納されており、前記プロセッサ（２３２）による実行時に、前記レーザーシステム（１００）に、少なくとも
   前記パワーメータ（１７０）からの第１の距離に前記レーザーヘッド（１１０）を位置付けること、
   前記レーザーヘッド（１１０）に前記レーザービーム（１５０）を出力させること、
   前記レーザービーム（１５０）が前記阻止部分（１７２）から前記ナイフエッジ（１８５）を横断して前記透過部分（１７４）へ並進移動させられるように、または前記レーザービーム（１５０）が前記透過部分（１７４）から前記ナイフエッジ（１８５）を横断して前記阻止部分（１７２）へ並進移動させられるように、前記パワーメータ（１７０）にわたって前記レーザーヘッド（１１０）を並進移動させること、
   前記レーザービーム（１５０）が前記パワーメータ（１７０）にわたって並進移動させられているときに、前記パワーメータ（１７０）からパワー信号を受信すること、および
   前記パワーメータ（１７０）から受信した前記パワー信号に基づいて前記レーザービーム（１５０）のスポットサイズを計算すること
   を実行させる、レーザーシステム（１００）。
2. 前記機械可読命令セットは、実行時に、さらに、前記プロセッサ（２３２）に、
   前記パワーメータ（１７０）からの第２の距離に前記レーザーヘッド（１１０）を位置付けること、
   前記レーザーヘッド（１１０）に前記レーザービーム（１５０）を出力させること、
   前記レーザービーム（１５０）が前記阻止部分（１７２）から前記ナイフエッジ（１８５）を横断して前記透過部分（１７４）へ並進移動させられるように、または前記レーザービーム（１５０）が前記透過部分（１７４）から前記ナイフエッジ（１８５）を横断して前記阻止部分（１７２）へ並進移動させられるように、前記パワーメータ（１７０）にわたって前記レーザーヘッド（１１０）を並進移動させること、
   前記レーザービーム（１５０）が前記パワーメータ（１７０）にわたって並進移動させられているときに、前記パワーメータ（１７０）から前記パワー信号を受信すること、
   前記パワーメータ（１７０）から受信した前記パワー信号に基づいて前記第２の距離での前記レーザービーム（１５０）の第２のスポットサイズを計算すること、および
   前記第２のスポットサイズおよび前記第１の距離を前記非一時的な機械可読メモリ（２３４）に格納すること
   を実行させる、請求項１記載のレーザーシステム（１００）。
3. 前記機械可読命令セットは、実行時に、さらに、前記プロセッサ（２３２）に、
   前記スポットサイズと、前記第１の距離と、前記第２のスポットサイズと、前記第２の距離とに対応するデータポイントを検索すること、および
   前記データポイントの間の線形回帰を計算すること
   を実行させ、前記線形回帰は、前記レーザーヘッド（１１０）から前記加工用ベッド（１６０）までとして定められた距離に対する前記スポットサイズの相関係数を定める、請求項２記載のレーザーシステム（１００）。
4. 前記機械可読命令セットは、実行時に、さらに、前記プロセッサ（２３２）に、
   前記パワーメータ（１７０）から受信した前記パワー信号からパワー値を決定すること、
   最大パワー値の第１のパーセンテージで生じている第１のパワー値と、前記最大パワー値の第２のパーセンテージで生じている第２のパワー値とを決定すること、および
   前記第１のパワー値から前記第２のパワー値への移行の間の前記レーザービーム（１５０）の変位に基づいて前記スポットサイズを決定すること
   を実行させる、請求項１記載のレーザーシステム（１００）。
5. 前記機械可読命令セットは、実行時に、さらに、前記プロセッサ（２３２）に、
   前記パワー信号からの前記パワー値を誤差関数へとフィッティングすること
   を実行させる、請求項４記載のレーザーシステム（１００）。

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