JP6205586B2 - レーザ出力測定装置及びレーザ加工方法 - Google Patents

Description

本発明は、金属材料の溶接や切断に用いられるレーザ光の出力を測定するレーザ出力測定装置に関するものである。

近年、ＢＰＰ（ビームパラメータ積）が小さく光ファイバで導光できるレーザ光の大出力化の開発が進んできた。それに伴い、自由度の大きなロボットにレーザヘッドを搭載し、光ファイバで導光したレーザ光による溶接や金属切断が行われるようになってきた。

かかる大出力のレーザ加工においては、レーザ光が所定通りのエネルギで出力されているか適宜検査することが重要である。何らかの原因で出力低下を生じていた場合、そのままレーザ加工を行うと加工不良となり、製品の信頼性や材料を損失する。

この課題に対する従来技術の一例を図を用いて説明する。

図９は従来技術に係るレーザ加工システムの概略構成図である。

このレーザ溶接システムは、レーザトーチから照射されるレーザ光の入熱量を測定するときのレーザ発振器の出力の設定値を設定するレーザ出力設定部１７と、レーザ光の入熱量を測定するレーザ入熱量測定器１５と、レーザ入熱量制御部１６とを備えている。

レーザ入熱量制御部１６は、溶接開始前にレーザトーチからレーザ入熱量測定器１５にレーザ光を照射して、このレーザ入熱量測定器１５の測定値とレーザ出力設定部１７の設定値との差に基づいて入熱量の低下比率を算出し、レーザトーチから照射されるレーザ光のエネルギが減衰して入熱量の低下比率が所定値以上のとき、以後の溶接を行わず、入熱量の低下比率が所定値以下のとき、レーザ発振器の設定値を補正して、レーザ入熱量測定器１５の測定値を補正前のレーザ発振器の設定値に修正して溶接を行うように制御している（例えば、特許文献１を参照）。

特開２００７−２０３３１２号公報

レーザによる加工において、ある設定出力である狙い位置へレーザ光を照射し、ある加工パターン（時間、軌道、スピード等）に基づいて加工を行う際、実際のレーザ出力と照射位置が設定出力と狙い位置に対してズレなく正しいもの、すなわち狙っている加工指令パターン通りに正しく加工ができているのかということは非常に重要である。仮に何らかの要因で出力が設定値よりも低くなってしまった場合や、照射位置が狙い位置からズレていた場合は本来狙っている加工が実現できず、加工品質の低下を招く原因となる。

そこでレーザ出力と狙い位置が設定値、狙い位置に対して正しいものになっているか確認するために、ある設定出力と狙い位置に対する実際のレーザ光の出力と照射位置を定期的に測定してチェックする必要がある。この定期チェックで実際のレーザ出力や照射位置が狙い値よりも所定値以上ずれていた際に、システムを止めて、出力や位置を補正し、修正し、加工を再開するという作業を行えば、加工品質の低下を防ぎ、加工の信頼性を上げることができる。

しかしこの定期チェックを行えばその分タクトタイムが伸びてしまうというデメリットもあるため、都度の定期チェックはできるだけ手短に実施し終えることができるのが好ましい。そこで、レーザ光の出力と照射位置を同時に測定できることが望まれる。

しかしながら、従来技術に係るレーザ出力測定装置では、レーザ出力が何らかの原因で設定値より低下または上昇した際にそれを検知することはできるがレーザ照射点の狙い位置からのズレが発生した場合にそれを検知することできない。

光量測定部の光量検出部が一つのみのため、単一測定部への入力出力のみしか測定できず、照射位置がずれた場合でも測定範囲に入っていれば、ずれる前と同等な出力、検出範囲からずれた場合でも単一の光量測定部の測定値が減少するだけで、どの方向にどれだけの量変位したか、すなわち照射位置を定量的に測定することはできないという問題があった。

また高出力のレーザ光が高出力であった場合に光量減少部でのパワー密度が高くなるという問題があった。

そこで本発明は、以上の問題を解決し、入射したレーザ光のスポットの位置と出力値を短時間で同時に測定することができ、かつ光量減少部でのパワー密度を低減できるレーザ出力測定装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明に係るレーザ出力測定装置は、レーザ光を所定の位置に照射するレーザヘッドと、先端に取り付けられた前記レーザヘッドを６軸を動かすことで所定の位置へ移動させるアクチュエータと、少なくとも前記アクチュエータと前記レーザヘッドとレーザ光の出力設定値を制御する制御部とともにレーザ加工システムを構成する。さらに、本発明に係るレーザ出力装置は、入力されたレーザ光の光量を減少させる入力光量減少部と、前記入力光量減少部を通過したレーザ光の光量を測定する光量検出部を光量検出範囲に複数箇所配置した光量測定部と、前記光量測定部の光量検出範囲に対して所定の割合にデフォーカスでビーム径を設定し、少なくとも入射範囲のレーザ光が前記光量検出範囲の一部に集光するような焦点距離と位置の関係に設置された集光レンズとを備え、前記アクチュエータに対して任意の位置に固定されたものである。

また、好ましくは、前記入力光量減少部に部分反射ミラーと、前記部分反射ミラーからの反射光を受けるダンパー部と、前記ダンパー部と部分反射ミラーとの空間を仕切るダンパウィンドウを更に備え、前記ダンパー部を水で満たしたものである。

上記の構成により、本発明に係るレーザ出力測定装置は、高出力のレーザ光であっても計測可能な光量に調整されて複数の光量検出部に照射させ、複数の光量検出部の測定値に基いて光量の重心の位置と総量を算出することで、入射したレーザ光のスポットの位置と出力値を同時に測定することができる。

ひいては、レーザ出射ヘッドから照射されるレーザ光の焦点位置を入力光量減少部よりも十分に手前に設定した場合であっても、集光レンズによって光量測定部の光検出範囲内へ所定のビーム径で入射させることができるため、入力光量減少部内での入射する際のレーザ光のパワー密度を低減させることができるため、ミラー、レンズ、ダンパ等のレーザパワー耐性に関する信頼性を向上させることができるものである。

本実施の形態に係るレーザ加工システムの概略構成図 本実施の形態に係るレーザ出力装置の詳細な構成を示す構成図 本実施の形態に係る集光レンズの作用を示す断面図 本実施の形態に係る光量測定部と入射レーザ光の関係を示す平面図 本実施の形態に係るレーザ光の位置と光量を算出するフローチャート 本実施の形態に係るレーザ導入部における開閉シャッター部の動作を示す概略構成図 本実施の形態に係るレーザ導入部における保護ガラス部の脱着動作を示す概略構成図 本実施の形態に係る透過率調整フィルタの作用を示す概略構成図 従来技術に係るレーザ加工システムの概略構成図 本実施の形態にかかる校正式導出の際のアクチュエータ座標系の座標軸上の各点を光量検出範囲座標系の座標軸へ投影する際の（設置角度パターンその１の場合の）イメージ図 本実施の形態にかかる校正式導出の際のアクチュエータ座標系の座標軸上の各点を光量検出範囲座標系の座標軸へ投影する際の（設置角度パターンその２の場合の）イメージ図 本実施の形態にかかる校正式導出の際のアクチュエータ座標系の座標軸上の各点を光量検出範囲座標系の座標軸へ投影する際の（設置角度パターンその３の場合の）イメージ図 本実施の形態にかかる校正式導出の際のアクチュエータ座標系の座標軸上の各点を光量検出範囲座標系の座標軸へ投影する際の（設置角度パターンその４の場合の）イメージ図

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。以下の図面においては、同じ構成要素については同じ符号を付しているので説明を省略する場合がある。また、図面中に示されるＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸はそれぞれ直交する方向である。ここで、Ｚ軸は上下にあたる鉛直方向であり、各図の座標軸はそれぞれの視野の方向に対応するように描いている。

（実施の形態１）
＜レーザ加工システムの主要構成＞
図１は本実施の形態に係るレーザ加工システムの概略構成図である。

レーザ加工システム９９９は、レーザ発振器２００と、アクチュエータ２１０と、レーザ出射ヘッド２２０と、制御部２３０と、位置・出力算出部２４０と、出力信号記憶部２５０とを備える。

レーザ発振器２００は、回折格子を介してレーザ発振させることで、複数のレーザ発信源を異なる波長で発信させ、かつ、同一の光軸に就航させる波長合成レーザを用いている。このレーザ発振器の特徴は、ＢＰＰが１００μｍ程度のシリコンファイバに導光できるほど小さく、多数のレーザ発信源によって大出力が得られることにある。一般に、１つの波長合成で５００Ｗ〜１ＫＷのレーザ出力が得られ、これを更に複数個合成することで２ＫＷ〜６ＫＷの出力にしている。

アクチュエータ２１０は、６軸を自由に動かすことができ、制御部２３０からの制御信号により所定の位置へ繰り返し精度約０．０８ｍｍの精度で移動することができる。

レーザ出射ヘッド２２０は、アクチュエータ２１０の先端にとりつけられており、レーザ伝送ファイバ２６０がその後端に装着されている。レーザ伝送ファイバ２６０より照射されたレーザ光をｆ７０のコリメーションレンズとｆ５００の集光レンズによって集光径を約７倍に拡大した形でレーザ光を出射する。

また、レンズの下部には二つの平行平板を設けており、その二つの平行平板を回転させることでレーザ光の進行方向に垂直な平面においてレーザ光の位置をΦ１６ｍｍの領域内で自由に移動させることができる（トレパニング動作と呼ぶ）。また平行平板の下部には保護レンズが保護レンズホルダーに装着された形で配置されている。

制御部２３０は、レーザ発振器２００と、アクチュエータ２１０と、レーザ出力測定装置１００とを一括して制御している。

位置・出力算出部２４０は、あらかじめ算出しておいた、レーザ出力測定装置１００での出力信号から、実際のレーザ出力と実際のレーザ照射位置のズレ量を逆算するための較正式を用いて、実際のレーザ出力と実際のレーザ照射位置のズレ量を求めるための計算回路である。

出力信号記憶部２５０は、レーザ出力測定装置１００にレーザを照射した際に測定される出力信号を記憶する。ここに記憶された出力信号と、実際のレーザ出射ヘッド２２０から照射されるレーザ出力やレーザ照射位置の関係より、出力信号から実際の出力と位置を算出する較正式が作られる。

レーザ伝送ファイバ２６０はレーザ発振器２００より出射されたレーザ光を装着先のレーザ出射ヘッド２２０まで伝送するファイバであり、コア径が１００ｕｍであるダブルクラッドファイバである。

＜レーザ出力測定装置の詳細な構成＞
さらに、本願発明のレーザ出力測定装置について、その構成を詳細に説明する。

図２は本実施の形態に係るレーザ出力装置の詳細な構成を示す構成図である。図２（ａ）は上面Ｚ軸方向から見た平面図、図２（ｂ）は側面視野の断面図を示している。

レーザ出力測定装置１００は、入力光量減少部１１０と、集光レンズ１２０と、光量測定部１３０と、開閉シャッター部１４０と、保護ガラス部１５０と、筐体部１７０とを備える。

入力光量減少部１１０は、レーザ出力測定装置１００に入力されたレーザ光の光量を減少させるもので、第１の部分反射ミラー１１１と、第２の部分反射ミラー１１２と、部分透過フィルタ１１３と、第１のダンパー部１１４と、ダンパウィンドウ１１６と、と、第２のダンパー部１１８と、水循環用配管部１１９とを備えている。

第１の部分反射ミラー１１１は入射レーザ光１６０に対して４５°の角度で配置されており、入射レーザ光１６０の波長に対する反射率は９０〜９９．５％であり、より好ましくは９９．０％ある。その反射率分を反射し、残りを透過させる。材質は石英であり、レーザ入射側の表面には保護膜が施されている。

第２の部分反射ミラー１１２は第１の部分反射ミラーと同様に入射レーザ光１６０に対して４５°の角度で配置されており、また、第１の部分反射ミラー１１１でのＺ方向に垂直な平面での屈折によるレーザの移動量分だけその平面内に移動させた位置に配置されている。入射レーザ光１６０の波長に対する反射率は９０〜９９．５％であり、より好ましくは９９．０％ある。その反射率分を反射し、残りを透過させる。材質は石英であり、レーザ入射側の表面には保護膜が施されている。

部分透過フィルタ１１３はＺ方向に対して垂直な平面内かつ、第２の部分反射ミラー１１２でのＺ方向に垂直な平面での屈折によるレーザの移動量分だけその平面内に移動させた位置に配置されている。２ｎｄ部分反射ミラー透過レーザ光１６２の波長に対して透過光の出力を光量検出範囲１３２の最大受光可能出力以下にさせるような透過率を持ち、その所定の透過率分を透過させ、残りは吸収または反射する。材質は石英である。

第１のダンパー部１１４は、第１の部分反射ミラー１１１で反射されたレーザ光がその開口部の中心に入射する位置に配置され、反射レーザ光を受光し、減衰させたうえで吸収するもので、水１１５で満たされており、円錐形状部１１７と、水循環用配管部１１９とを備える。

円錐形状部１１７は第１の部分反射ミラー１１１からの反射光を水１１５内に拡散させるもので、円錐上の形状を持ち、頂点が第１の部分反射ミラー１１１からの反射光に対して正対するように配置されている。

水循環用配管部１１９は、第１のダンパー部１１４内に満たされる水１１５を循環させており、１１４の光量減衰性能を上げている。

ダンパウィンドウ１１６は第１の部分反射ミラー側に反射防止膜を備えており、第１のダンパー部１１４の第１の部分反射ミラー側に取付けられておりと第１の部分反射ミラー１１１と第１のダンパー部１１４との空間を仕切る。また、第１のダンパー部内に満たされた水の蓋の役割もある。材質は石英である。

第２のダンパー部は、第２の部分反射ミラー１１２で反射されたレーザ光を受光し、吸収するものであり、第２の部分反射ミラー１１２からの反射光に対して正対するように配置され、反射防止のため表面を黒アルマイト処理されている。

集光レンズ１２０は、平凸レンズで材質はＢＫ７であり、部分透過フィルタ１１３の下部の、自身へ入射する部分透過フィルタ透過レーザ光１６３が透過後に所定の位置に所定の集光系で集光するような任意の位置へ配置される。

光量測定部１３０は、自身の光量検出範囲内に入射したレーザ光の出力を測定するもので、光量検出範囲１３２内に第１の光量検出部１３１ａと、第２の光量検出部１３１ｂと、第３の光量検出部１３１ｃと、第４の光量検出部１３１ｄとを備えている。

光量検出部１３１ａ〜１３１ｄは各々所定の出力範囲内のレーザ光の出力を測定できるフォトダイオードである。隙間なく並べた際に、円になるようにすべてが扇型の形状を持っている。

開閉シャッター部１４０は、レーザ出力測定装置１００を不使用時に外部からのゴミが侵入するのを防ぐもので、シャッター１４１と、シャッター開閉機構部１４２と、樹脂製リング１４３とを備えている。

シャッター１４１は側面視でＬ字型の形状をしており。シャッター開閉機構部１４２によって開閉される。

シャッター開閉機構部１４２はロータリーソレノイドを用いており、ロータリーソレノイドがＯＮの際にシャッター１４１が開の方向へ回転するようにシャッター１４１と治具を通じて接続されている。

保護ガラス部１５０は、レーザ出力測定装置１００において開閉シャッター部１４０のシャッター１４１が開の際に、内部へ外部からゴミ等が侵入するのを防ぐもので、保護ガラス１５１と、保護ガラスホルダー１５２と、ホルダー挿入部１５３とを備えている。

保護ガラス１５１は、円形の形状をしており、材質は石英である。

保護ガラスホルダー１５２は保護ガラスを保持できる構造をしており、ホルダー挿入部１５３に簡易に挿入できる形状をしている。

ホルダー挿入部１５３は保護ガラスホルダー１５２が簡易に挿入でき、かつ十分に固定される形状をしている。

筐体部１７０は、レーザ出力測定装置１００が備える上記各構成を覆う外部からのカバーであり、その上面に第１の基準位置設定用目印１８１ａと、第２の基準位置設定用目印１８１ｂとを備えている。

＜レーザ加工システムの動作＞
以上のように構成された本発明のレーザ加工システムの動作について図面を用いて説明する。

まず定期チェック工程（詳細は後述）を実施する。定期チェック工程で問題がなければ、実際の加工工程に移る。

加工工程は、図１において、レーザ加工システムの制御部２３０が加工開始の信号を受けると、まず、アクチュエータ２１０がその先に装着されているレーザ出射ヘッド２２０を任意の狙い位置へと移動させる。

次に、移動完了と共に、指令によって設定された任意の出力レーザ光がレーザ発振器２００からレーザ伝送ファイバ２６０を経由してレーザ出射ヘッドより任意の狙い位置（加工点）へと照射され、加工指令のパターンによってレーザ光を照射したまま２２０を任意の軌道で移動させて加工を行ったり、あるいは設定したスポット点毎にレーザ光を照射して加工を行ったりする。

＜入射レーザ光測定工程とそれによる定期チェック工程＞
加工を行う際、ある設定出力である狙い位置へレーザ光を照射するというこの加工指令パターンにおける実際のレーザ出力強度と照射位置が設定出力と狙い位置に対してズレなく正しいもの、すなわち狙っている加工指令パターン通りに正しく加工ができているどうか定期的に確認を行う。

この入射レーザ光の出力強度と狙い位置を測定する工程を入射レーザ光測定工程とし、更にこの入射レーザ出力測定工程を用いて出力強度と狙い位置が所望のものであり、正しい加工が実現できるか否かを確認する工程をさらに定期チェック工程と呼ぶ。以下でこれらの工程を順に説明する。

まず、入射レーザ光測定工程の動作は以下の通りである。

加工時と同様な手順でレーザ出射ヘッドが、あらかじめ設定しておいたレーザ出力測定装置１００へ垂直にレーザ光を照射した際に光量測定部１３０の光量検出部１３１ａ〜ｄの全てへ等量の光量のレーザ光が入射し、かつ任意のビーム径ですべてのレーザ光が光量検出範囲へ入射する位置（定期チェック工程を行う際は定期チェック工程用の所定の位置）に、アクチュエータ２１０によって移動させられる。

次に、開閉シャッター部１４０のシャッター１４１が開状態になってから、レーザ光を垂直にレーザ出力測定装置１００へ向けて照射する。

次に、レーザ出力測定装置１００に入射した入射レーザ光１６０は、図２に示すように、まず、保護ガラス部１５０の保護ガラス１５１を通過する。

次に、入力光量減少部１１０の第１の部分反射ミラーよって１１１によって所定の反射率分が第１のダンパー部１１４へ向けて反射され、残りが第２の部分反射ミラー１１２へ向かって透過する。反射光は第１のダンパー部１１４内にダンパウィンドウ１１６を通って入射し、まず内部に満たされた水１１５によって減衰し、その後、円錐形状部１１７に当たって内部に拡散されて更に減衰され、結果内部に吸収される。

次に、透過した１ｓｔ部分反射ミラー透過レーザ光１６１は第２の部分反射ミラー１１２によって所定の反射率分が第２のダンパー部１１８へ向けて反射され、残りが部分透過フィルタ１１３へ向かって透過する。反射光は第２のダンパー部の表面で吸収される。

次に、透過した２ｎｄ部分反射ミラー透過レーザ光１６２は部分透過フィルタ１１３によって所定の割合で透過し、残りは吸収される。ここまでで、レーザ出力測定装置１００へ入射したレーザ光は光量測定部１３０の最大受光パワー以下に光量が減少している。

次に、集光レンズに入射した部分透過フィルタ透過レーザ光１６３は集光レンズ１２０によって所定の割合にデフォーカスでビーム径を調整されるように集光される。

次に、集光された光量測定部入射レーザ光１６４は所定の割合にデフォーカスされたことで、光量測定部１３０の光量検出範囲の光量検出部の複数箇所１３１ａ〜ｄの全てへ入射し、各々の光量が測定される。

次に、測定した各々の光量の測定値の割合から光量重心を算出でき、さらに、各々の光量の測定値を合計することで光量検出範囲へ入射したレーザ光のトータル光量が算出できる。したがって、光量検出範囲に入射したレーザ光の重心位置とトータル光量が同時に算出できる。この結果を後述する実際の出力と照射位置へ換算する較正式に適用して、レーザ光の出力と照射位置を測定する。

定期チェック工程の動作は以下の通りである。

定期チェック工程は加工を繰り返し行っていく中で任意のタイミングで実施される。入射レーザ光測定工程で測定されたレーザ光の出力強度と照射位置に関して、二段階のしきい値を設ける。照射位置の本来測定値として得られるべき所定値からのズレ量のしきい値Ａとしきい値Ｂ（Ａ＜Ｂ）、出力強度の本来測定値として得られるべき所定値からのズレ量のしきい値Ｃとしきい値Ｄ（Ｃ＜Ｄ）を定義する。

照射位置と出力が測定値が本来算出されるべき所定値より共に小さい方のしきい値未満であれば、加工に使われるレーザ光に異常がないものとし、再び、加工の工程に戻る。どちらか一方でも小さい方のしきい値以上で大きい方のしきい値未満の測定値であれば、その方を照射位置または出力の自動補正機構によって小さい方のしきい値未満になるように自動補正を行い（自動補正機構の原理については後述する）、補正完了後、再び加工に戻る。

ただし、どちらか一方でも大きい方のしきい値以上の測定値であれば、警告を発し、システムを停止させる。

図３は本実施の形態に係る集光レンズの作用を示す断面図である。本図に示すように、集光レンズ１２０に入射したレーザ光は、レンズの形状、レンズと光量検出部との距離によって所定の割合で焦点が光量測定部より手前になるようにデフォーカスされ、光量測定部へ入射する。この作用によりレーザ出射ヘッドから照射されるレーザ光の焦点位置を入力光量減少部よりも十分に手前に設定した場合であっても、光量測定部１３０の光量検出範囲１３２内へレーザ光を入射させることができ、さらに入力光量減少部内での入射する際のレーザ光のパワー密度を低減させることができるため、ミラー、レンズ、ダンパ等のレーザパワー耐性に関する信頼性を向上させることができる。

また、１６５ｂのようにレーザ光がレンズ通過前は光量検出範囲外にあった場合でも所定の範囲内であれば、レンズによって光量検出範囲１３２に収まるように集光することで、レーザ光を光量測定部１３０へ入射させることができる。

図４は本実施の形態に係る光量測定部と入射レーザ光の関係を示す平面図である。

本図に示すように、出力とスポット位置を同時に算出するためには入射レーザ光は全ての光量検出部に入射する必要がある。たとえば、仮に、１３１ａと１３１ｄにすべてのレーザ光が入射し、１３１ｂと１３１ｃには入射しなかった場合、レーザ光の出力と、スポット位置のＹ方向の位置は測定できるが、Ｘ方向の位置に関しては、Ｘ方向の最大測定可能値以上であることは分かるものの、正確な位置は測定できない。

そこで位置を正確に測定するためには、図３の関する説明で前述したように光量検出範囲１３２にすべてのレーザ光が入射するだけでは不十分であり、全ての光量検出部にレーザ光入射するように集光レンズ１２０の形状と光量検出範囲１３２の距離を調整する。

本実施の形態では光量検出範囲に対して２割〜５割の大きさのスポット径（二次モーメント径で）でレーザ光を入射させることが望ましい。よってレーザ出力ヘッドと集光レンズの距離、集光レンズの形状、集光レンズと光量検出範囲との距離を調整することで光量検出範囲に対して２割〜５割の大きさのスポット径（二次モーメント径で）でレーザ光を入射させることができる。

図５は本実施の形態に係る光量測定部１３０内の光量検出範囲１３２への入射レーザ光のスポット重心位置と光量を算出するフローチャートである。このフローチャートを用いて、光量測定部１３０内の光量検出範囲１３２への入射レーザ光のトータル光量と入射スポット重心位置の算出手順を説明する。

まず、レーザ出射ヘッド２２０からレーザ出力測定装置１００へレーザが入射される（Ｓ０１）。次に、入射したレーザの光量を入力光量減少部１１０によって減少させる（Ｓ０２）。次に、レーザ光を集光レンズを通過させることで集光させる。（Ｓ０３）。

次に、光量検出範囲１３２内でスポット径が二次モーメント径で光量検出範囲１３２の２〜５割の大きさになるようにデフォーカスされたレーザ光が、光量検出範囲１３２の全ての光量検出部に入射し、それを各光量検出部で検出する。（Ｓ０４）。次に、各々の光量検出部での光量測定値を出力信号記憶部に記憶する（Ｓ０５）。

次に、位置、出力算出回路にて入射スポット重心位置の計算を、第１式・第２式によって行う（Ｓ０６）。ここで、Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄはそれぞれ図４の１３１ａ、１３２ｂ、１３３ｃ、１３４ｄに入射した光量であり、Ｘは光量測定部座標系におけるｘ方向のレーザの入射重心位置、Ｙは光量測定部座標系におけるｙ方向のレーザの入射重心位置である。

次に、算出した入射スポット重心位置を出力信号記憶部に記憶する（Ｓ０７）。次に、位置、出力算出回路にてトータル光量の計算を第３式によって行う（Ｓ０８）。

次に、算出したトータル光量を出力信号記憶部に記憶する（Ｓ０９）。

この図５のフローチャートを用いた光量検出範囲への入射レーザ光のトータル光量と入射スポット重心位置の算出手順を光量検出範囲入射レーザ光測定工程と呼ぶ。

以上に述べたように、本実施の形態のレーザ出力測定装置１００によれば、高出力のレーザ光であっても計測可能な光量に調整されて複数の光量検出部１３１ａ〜１３１ｄ全てに照射させ、それら各々の測定値に基いて光量の重心の位置と総量を算出することで、光量検出範囲１３２に入射する光量測定部入射レーザ光１６４のスポット重心位置と出力値を同時に測定することができる。

ただし、ここで算出した出力値とスポット重心位置はあくまでも光量測定部入射レーザ光１６４の光量検出範囲１３２への入射光の出力値と入射スポット重心であり、実際にレーザ出射ヘッド２２０より照射された実際に加工に使用される入射レーザ光１６０の出力とスポット位置を算出したわけではない。

光量検出範囲１３２への入射光の出力値と入射スポット重心からの、実際に加工に使用される光量測定部入射レーザ光１６４の出力と照射位置の算出は、光量検出範囲１３２への入射光の出力値と入射スポット重心を、その値から実際に加工に使用される光量測定部入射レーザ光１６４の出力と照射位置を逆算することができる較正式へ適用することによって行う。

＜入射レーザ光測定工程における詳細な算出手順＞
以下に、本実施の形態に係る、光量測定部入射レーザ光１６４の光量検出範囲１３２への入射光の出力値と入射スポット重心から、実際に加工に使用される光量測定部入射レーザ光１６４の出力と照射位置を算出できる較正式を導出し、実際に較正式を用いて加工に使用される光量測定部入射レーザ光１６４の出力と照射位置を同時に算出するまでの手順を４つのＳＴＥＰに分けて順に説明する。

＜ＳＴＥＰ１＞校正の準備工程
光量検出範囲の中心を基準とした、アクチュエータのホームポジションの設定とアクチュエータ基準座標系と光量検出範囲の基準座標系のｘｙ平面内での軸同士のなす角の算出を行う。具体的には以下に示すＳＴＥＰで順に実施する
（１−１）レーザ出力測定装置１００を任意の水平面へ固定する。

（１−２）レーザ出射ヘッド２２０を入射レーザ光１６０の光軸とレーザ出力測定装置１００を設置した水平面とが垂直になるように傾きを調整する。

（１−３）レーザ出射ヘッド２２０とレーザ出力測定装置１００との光軸方向（Ｚ方向）の距離を、光量測定部入射レーザ光１６４が光量検出範囲１３２に対して中心かつ垂直に入射する際に二次モーメント径が光量検出範囲１３２の径に対して２割〜５割の大きさになるように調整。

（１−４）ガイド光が第１の基準位置設定用目印１８１ａへ照射されるようにレーザ出射ヘッド２２０を平行移動させ、その際の制御部２３０によって制御されるアクチュエータ２１０のＸ，Ｙ座標（ｓ１，ｔ１）を記録。

（１−５）ガイド光が第２の基準位置設定用目印１８１ｂへ照射されるようにレーザ出射ヘッド２２０を平行移動させ、その際の制御部２３０によって制御されるアクチュエータ２１０のＸ，Ｙ座標（ｓ２，ｔ２）を記録。

（１−６）記録した二つの座標を結ぶ直線とアクチュエータ２１０のＸ軸とのなす角をθと定義し、θは以下の第４式、第５式のように表す。

ベクトル（ｓ２−ｓ１，ｔ２―ｔ１）の向きは光量検出範囲座標系（ΔｘＰＤ，ΔｙＰＤ）のｘ軸の正方向と一致するように光量測定部は設置している。つまりこのθは光軸に垂直な平面内でのアクチュエータ座標系（ｘＲ，ｙＲ）と光量検出範囲座標系（ΔｘＰＤ，ΔｙＰＤ）のそれぞれのｘ軸のなす角であり、「光量検出範囲座標系のｘ軸に対してアクチュエータ座標系が反時計まわりにθ回転した位置にある際に、アクチュエータ座標系（ｘＲ，ｙＲ）と光量検出範囲座標系（ΔｘＰＤ，ΔｙＰＤ）のなす角はθである」という定義である。これよりこのθを「レーザ出力測定装置設置角θ」と呼ぶこととする。

（１−７）レーザ出射ヘッド２２０を入射レーザ光１６０がレーザ出力測定装置１００の中心付近に入射するように移動させる。

（１−８）図５のフローチャートで手順が示されている光量検出範囲入射レーザ光測定工程を実施
（１−９）第１式で計算される入射位置重心が０に向かうように、レーザ出射ヘッド２２０をロボット座標系において、任意のｘ、ｙ座標分だけ移動させる。ここで例えばｘ、ｙを０．１ｍｍ単位で移動させる。

（１−１０）図５のフローチャートで手順が示されている光量検出範囲入射レーザ光測定工程を実施。

（１−１１）移動量に対する（１式の入射重心位置の値の変化量から、レーザ出射ヘッド２２０の実際の移動量に対する、入射位置重心の値の変化の感度を大雑把に求める。変化の感度を基に再び入射重心位置がゼロに近づくようにレーザ出射ヘッド２２０のｘ、ｙ座標を移動させる。

（１−１２）再び図５のフローチャートで手順が示されている光量検出範囲入射レーザ光測定工程を実施。

（１−１３）再び変化の感度を基に再び入射重心位置がゼロに近づくようにレーザ出射ヘッド２２０のｘ、ｙ座標を移動させる。

（１−１４）以下、この工程を繰り返し実施、入射重心位置が任意の値以下になるまで実施する。あるいは、任意の回数を決めてあるその回数だけ繰り返すまで実施でもよい。例えば、任意の値として、Ｘ、Ｙが共に１０以下、より精度が必要なら５以下を選ぶ。または任意の繰り返し回数として、５回、より精度がひつようなら１０回を選ぶ。

（１−１５）任意の値以下または任意の回数まで到達したら、較正の準備終了。この位置をホームポジションとする。
アクチュエータ座標（Ｈｘ，Ｈｙ）
光量検出範囲座標（０．０）

＜ＳＴＥＰ２＞出力強度の校正式導出工程
レーザ発振器２００の設定出力値またはあらかじめパワーメータで測定しておいた実際のレーザ出力値と第３式のＳｕｍ値で表される光量検出範囲入射光のトータル光量との関係は一次の近似式で表される。そこでその近似式をＳｕｍ値からレーザ発振器２００の設定出力強度または実際のレーザ出力値を算出する校正式として最小二乗法を用いて導出する。具体的には以下に示すＳＴＥＰで順に実施する。

（２−１）レーザ発振器２００からレーザ出射ヘッド２２０を介して出射される入射レーザ光１６０の定格出力Ｐ［Ｗ］を２以上の整数で割る。例えば５、より精度が必要ならば１０で割ってもよい（以下整数Ｎで割ったとする）。

（２−２）制御部２３０によってレーザ発振器の出力設定値を入射レーザ光１６０の出力がＰ／Ｎ［Ｗ］になるように設定。

（２−３）図５のフローチャートで手順が示されている入射レーザ光測定工程を実施。

（２−４）制御部２３０によってレーザ発振器の出力設定値を入射レーザ光１６０の出力が２Ｐ／Ｎ［Ｗ］になるように設定。

（２−５）図５のフローチャートで手順が示されている光量検出範囲入射レーザ光測定工程を実施。

（２−６）制御部２３０によってレーザ発振器の出力設定値を入射レーザ光１６０の出力が３Ｐ／Ｎ［Ｗ］になるように設定。

（２−７）図５のフローチャートで手順が示されている光量検出範囲入射レーザ光測定工程を実施。

（２−８）
入射レーザ光１６０の出力がＮＰ／Ｎ［Ｗ］になるまで繰り返す。

（２−９）
出力信号記憶部に記憶した、Ｐ／Ｎ，２Ｐ／Ｎ，３Ｐ／Ｎ…４Ｐ／Ｎの各入射レーザ光１６の出力において第３式によって算出されたトータル光量を表１のように整理する。

（２−１０）出力をｙ、の計算結果Ｓｕｍをｘとすると、ｘとｙの関係は第６式のように１次の直線で近似できるので、係数ａ０とａ１を最小二乗法を用い第７式の行列式を解くことによって導出し、第６式に代入する。

以上で出力を算出するための校正式の導出は終了する。

＜ＳＴＥＰ３＞スポット位置の校正式導出工程
第２式、第３式でそれぞれ表される光量検出範囲入射レーザ光のスポット重心の値であるＸ、Ｙから、レーザ出射ヘッド２２０のホームポジションからのｘｙ平面内での実際の位置ズレ量、すなわちヘッドに傾きがないと仮定した場合の、ｚ方向にレーザを出射した場合のレーザの照射位置のｘｙ平面内での実際の位置ズレを算出する校正式を導出する。

具体的な手順は後述するが、その前にこの校正式の導出の原理を説明する。

実際の照射位置とＸ、Ｙの間には、原点を光量検出範囲の中心とした光量検出範囲座標系での実際の照射位置の座標を（ΔｘＰＤ，ΔｙＰＤ）とすると、光、Ｘ、ＹがそれぞれΔｘＰＤ、ΔｙＰＤの二次関数でよく近似できる関係がある。

そこで光量検出座標系のｘ軸、ｙ軸に沿って照射位置をそれぞれに一定間隔でずらしていき、その都度その際のＸ、Ｙの測定を実施し、各位置ズレ量に対してのＸ、Ｙ値を取得し、それらの結果に対して、二次の近似式を導出するために最小二乗法を用いることで、ΔｘＰＤ、ΔｙＰＤのＸ、Ｙに対する二次の近似式を求めることができる。

しかし、実際にこの校正式を導出する際には、以下の二点を考慮にいれる必要がある。

一つ目は光用検出部の検出感度の誤差やホームポジションでＸ、Ｙが完全に双方ともゼロになっていないことに主に起因して、ｘ軸、ｙ軸に関してそれぞれプラスマイナス方向でも尺度が異なるため、プラス方向とマイナス方向で別々の校正式を算出する必要がある。したがって校正式はｘ軸のプラスマイナス方向、ｙ軸のプラスマイナス方向の合計４つ算出する必要がある。

二つ目はアクチュエータ座標系と光量検出範囲座標系の座標軸の方向は一致しておらず、そのなす角がレーザ出力測定装置設置角θで与えられていることである。通常、校正式の作成の際はｘ、ｙ軸それぞれのプラスマイナスにそってアクチュエータを移動させてデータをとる。つまり通常アクチュエータの位置制御に用いるアクチュエータ座標系（ここでは原点が光量検出範囲の中心にあるものとし、すなわり光量検出座標系と原点が一致しているものとする。）のｘ、ｙ軸に沿って、一定間隔で照射位置をずらしてＸ，Ｙの測定を行っても、光量検出範囲座標系から見るとそれはｘ、ｙ軸に沿った動きではなく、ｘ軸、ｙ軸に対してθの方向の直線上での各点でのＸ，Ｙの測定となる。

そこでアクチュエータ座標系でｘ、ｙ軸のプラスマイナスの４方向それぞれでの校正式算出用測定の際に、このθの値によってその測定点が並ぶ直線に最も近い軸に測定点を垂直に投影する。なお、この際の投影の仕方はθの値によって４つの場合に場合分けされる。

図１０、図１１、図１２、図１３に角θの場合による角方向の測定点の光量検出範囲座標系の軸上への投影のイメージを記す。

例えば、図１１においてはアクチュエータ座標系におけるｘ軸のプラス方向での各測定点は光量検出座標系のｙ軸のプラス方向へ投影され、同様にｘ軸のマイナス方向はｙ軸のマイナス方向へ、ｙ軸のプラス方向はｘ軸のマイナス方向へ、ｙ軸のマイナス方向はｘ軸のプラス方向へ投影される。

これらの各々の場合において、投影した光量検出範囲座標系の各々の軸方向に沿った各測定点に対してその際のＸ、Ｙの測定値を対応させることでこの光量検出範囲座標系における実際の照射位置ΔｘＰＤ、ΔｙＰＤのＸ、Ｙに対する二次の近似式をｘ、ｙそれらのプラスマイナス方向の合計４つ導出する。

この時点で、あるＸ、Ｙの測定値からＸ、Ｙのプラスまたはマイナスに対応する二次の近似式を用いることで、光量検出範囲座標系における実際の照射位置ΔｘＰＤ、ΔｙＰＤを算出することができる。

この結果をθを用いた座標変換によってアクチュエータ座標での座標に変換することでアクチュエータ座標での実際の照射位置ΔｘＲ、ΔｙＲを算出することができ、つまりは測定値Ｘ、Ｙより、アクチュエータ座標系での実際の照射位置ΔｘＲ、ΔｙＲを算出することできるのである。これが校正式の導出手順とその原理である。具体的な手順を以下に示すＳＴＥＰで順に実施する。

（３−１）制御部２３０によってレーザ発振器の出力設定を入射レーザ光１６０の出力が任意の値になるように設定する。照射位置は基本的に出力に依存しないので任意の値で構わないが、精度をあげるために、より好ましくは実際に加工で使用する際の出力に設定するのが良い。

（３−２）ホームポジション（Ｈｘ，Ｈｙ）で図５のフローチャートで手順が示されている光量検出範囲入射レーザ光測定工程を実施。なおここで最初に扱うアクチュエータ座標系は光量範囲検出座標系と原点が一致していない。

（３−３）少なくとも位置ずれを検出したい最小単位以下の任意の変位量Δｔを設定。例えば０．１５ｍｍ、より精度が必要ならば０．１ｍｍに設定するとよい。

（３−４）光量検出範囲１３２での光量測定部入射レーザ光１６４の二次モーメント径の半分以下で位置ズレを検出したい最大範囲をＮΔｔ（Ｎは任意の整数Ｎと設定。

（３−５）アクチュエータ座標が（Ｈｘ＋Δｔ，Ｈｙ）となるように制御部２３０によってレーザ出射ヘッド２２０を平行移動。

（３−６）図５のフローチャートで手順が示されている光量検出範囲入射レーザ光測定工程を実施。

（３−７）アクチュエータ座標が（Ｈｘ＋２Δｔ，Ｈｙ）となるように制御部２３０によってレーザ出射ヘッド２２０を平行移動。

（３−８）図５のフローチャートで手順が示されている光量検出範囲入射レーザ光測定工程を実施。

（３−９）アクチュエータ座標が（Ｈｘ＋３Δｔ，Ｈｙ）となるように制御部２３０によってレーザ出射ヘッド２２０を平行移動。

（３−１０）図５のフローチャートで手順が示されている光量検出範囲入射レーザ光測定工程を実施。

（３−１１）アクチュエータ座標が（Ｈｘ＋ＮΔｔ，Ｈｙ）となるまで繰り返す。ここまででアクチュエータ座標＋ｘ方向の較正用測定は終了。

（３−１２）同様にアクチュエータ座標―ｘ方向に関して、（Ｈｘ−Δｔ，Ｈｙ）から（Ｈｘ−ＮΔｔ、Ｈｙ）に関して図５のフローチャートで手順が示されている光量検出範囲入射レーザ光測定工程を実施。ここまででアクチュエータ座標―ｘ方向の較正用測定は終了。

（３−１３）同様にアクチュエータ座標＋ｙ方向に関して、（Ｈｘ，Ｈｙ＋Δｔ）から（Ｈｘ，Ｈｙ＋ＮΔｔ）に関して図５のフローチャートで手順が示されている光量検出範囲入射レーザ光測定工程を実施。ここまででアクチュエータ座標＋ｙ方向の較正用測定は終了。

（３−１４）同様にアクチュエータ座標−ｙ方向に関して、（Ｈｘ，Ｈｙ−Δｔ）から（Ｈｘ，Ｈｙ−ＮΔｔ）に関して図５のフローチャートで手順が示されている光量検出範囲入射レーザ光測定工程を実施。ここまででアクチュエータ座標−ｙ方向の較正用測定は終了。

（３−１５）実施した較正用測定の結果を表２のように整理する。

（３−１６）ここ以降はアクチュエータ座標系でのホームポジションからの変位量を用いて。ホームポジションを（０，０）とした場合のすなわち光量検出範囲座標系とアクチュエータ座標原点を一致させた場合のアクチュエータ座標系（ΔｘＲ、ΔｙＲ）を用いる。ここでの各点を＜ＳＴＥＰ１＞の第４式で算出したレーザ出力測定装置設置角θによって表３のように場合分けして光量測定部座標系（ΔｘＰＤ、ΔｙＰＤ）に投影して整理する。

（３−１７）Ｘ，Ｙそれぞれ対応するΔｘＰＤ±、ΔｙＰＤ±の二次関数であるとし、第８式、第９式、第１０式、第１１式のように定義する。

（３−１８）それぞれの（ΔｘＰＤ＋，Ｘ）、（ΔｘＰＤ−，Ｘ）、（ΔｙＰＤ＋，Ｙ）、（ΔｙＰＤ−，Ｙ）における第８式、第９式、第１０式、第１１式の係数ａ０＋〜ａ２＋、ａ０−〜ａ２−、ｂ０＋〜ｂ２＋、ｂ０−〜ｂ２−を最小二乗法を用い、第１２式、第１３式、第１４式、第１５式の行列式を解くことで、導出し、各々の係数を第８式、第９式、第１０式、第１１式に代入する。

（３−１９）座標変換によって光量検出範囲座標系の座標をアクチュエータ座標系での座標に変換するための変換式をθを用いて第２０式、第２１式と表す。

以上で、位置を算出するための較正式の導出は終了。

＜ＳＴＥＰ４＞較正式を用いた出力と照射位置の同時算出
（４−１）図５のフローチャートで手順が示されている光量検出範囲入射レーザ光測定工程を実施。

（４−２）位置・出力算出部２４０において、第３式の計算結果Ｓｕｍを出力算出用較正式第６式に代入することで、実際の入射レーザ光１６０の出力強度を算出する。

（４−３）位置・出力算出部２４０において、第２式、第３式の計算結果Ｘ、Ｙを位置算出用較正式第８式、第９式、第１０式、第１１式の対応する校正式へ代入する。ここでＸについては符号がマイナスならば式第８式、プラスならば第９式の較正式へ代入し、Ｙについても符号がマイナスならば第１０式、プラスならば第１１式の較正式へ代入する。

（４−４）Ｘ、Ｙを代入した較正式を各々の場合について、ΔｘＰＤ、ΔｙＰＤの二次の方程式として、第１６式、第１７式、第１８式、第１９式を用いて解くことで、それぞれに対応するΔｘＰＤ、ΔｙＰＤを算出する。

ΔｘＰＤに関して、Ｘがマイナスの場合は、第１６式を用いる。

ΔｘＰＤに関して、Ｘがプラスの場合は、第１７式を用いる。

ΔｙＰＤに関して、Ｙがマイナスの場合は、第１８式を用いる。

ΔｙＰＤに関して、Ｙがプラスの場合は、第１９式を用いる。

これで光量測定部座標系におけるＸＹ平面内での入射レーザ光１６０の照射位置の光軸に垂直な平面での光量検出範囲座標系における中心からのズレ量（ΔｘＰＤ、ΔｙＰＤ）がわかる。

（４−５）前述の式第２０式、第２１式を用いて座標変換を行って、光量測定部座標系でのズレ量をアクチュエータ座標系でのズレ量に変換する。これにより、アクチュエータ座標系でのｘｙ平面内での入射レーザ光の照射位置の中心からのズレ量（ΔｘＲ，ΔｙＲ）を算出できる。

以上で、実際の入射レーザ光の出力と照射位置の中心からの変位量を同時に算出できる。

＜定期チェック工程における校正式を用いた補正手順＞
以下で＜ＳＴＥＰ４＞で算出した照射位置が所定値よりしきい値Ａ以上でしきい値Ｂ未満のｇだけズレていた場合にしきい値Ａ未満に自動で補正する自動補正機構の手順（原理）と、同様に＜ＳＴＥＰ４＞で算出した出力が所定値よりしきい値Ｃ以上でしきい値Ｄ未満のｈだけズレていた場合にしきい値Ｃ未満に自動で補正する自動補正機構の手順（原理）をそれぞれ記す。

まず、アクチュエータ座標が（Ｈｘ−ｇ，Ｈｙ）となるように制御部２３０によってレーザ出射ヘッド２２０を平行移動する。

次に＜ＳＴＥＰ４＞を実施する。ここで、（ａ）照射位置の算出値の所定値からのズレ量がＡ未満であれば、新たにホームポジションをアクチュエータ座標系で（Ｈｘ−ｇ，Ｈｙ）と再設定し、補正作業終了。新たにホームポジションをアクチュエータ座標系で（Ｈｘ−ｇ，Ｈｙ）と再設定し、補正作業を終了する。（ｂ）照射位置の算出値の所定値からのズレ量がＡ以上Ｂ未満のｇ’であれば、アクチュエータ座標が（Ｈｘ−ｇ−ｇ’，Ｈｙ）となるように制御部２３０によってレーザ出射ヘッド２２０を平行移動し、次へ進む。

再度＜ＳＴＥＰ４＞を実施する。次に、その測定結果によって、上述のように（ａ）または（ｂ）の場合分けを行い、各場合における動作を実施する。以下、測定結果（ａ）の条件を満たし、補正作業を終了できるまで繰り返す。

なお、照射位置の算出値の所定値からのズレ量がＢ以上である場合は、異常なズレ量であると判断して、警告を発し、レーザ加工システムを停止させる。

次に出力の補正手順を記す。まず、２３０によってレーザ発振器の出力設定を入射レーザ光１６０の出力強度が所定値［Ｗ］（例えば４ＫＷや６ＫＷ、加工に用いられる出力値）になるように設定する。

次に＜ＳＴＥＰ４＞を実施する。ここで、（ｃ）出力の算出値の所定値からのズレ量がＣ未満であれば、新たに（従来の所定値―ｈ）を真の所定値とし再設定し、補正作業を終了する。（ｄ）出力の算出値の所定値からのズレ量がＣ以上Ｄ未満のｈ’であれば、制御部２３０によってレーザ発振器の出力設定を入射レーザ光１６０の出力が（所定値―ｈ―ｈ’）［Ｗ］になるように設定となるように設定する。

再度＜ＳＴＥＰ４＞を実施する。次に、その測定結果によって、上述のように（ｃ）または（ｄ）の場合分けを行い、各場合における動作を実施する。以下、測定結果（ｄ）の条件を満たし、補正作業を終了できるまで繰り返す。

なお、出力の算出値の所定値からのズレ量がＤ以上である場合は、異常なズレ量であると判断して、警告を発し、レーザ加工システムを停止させる。

ここで、さらに照射位置の算出方法を応用することで、レーザ出射ヘッド２２０のトレパニング動作時の加工点での軌跡が所望のものであるかをチェックすることができる。

前述の＜ＳＴＥＰ４＞における（４−１）で、図５のフローチャートで手順が示されている光量検出範囲入射レーザ光測定工程を実施する際に、トレパニング動作を実施し、その際の各光量出力検出部１６１ａ〜１６１ｄを連続的に出力信号記憶部に保存し、それらすべてに対して連続的に照射位置を算出すれば、トレパニング動作時の軌跡を算出できる。ただし軌跡を算出できるのはトレパング動作がＳＴＥＰ３におけるφＮΔｔの範囲内に限られる。

また、レーザ出射ヘッド２２０から照射される入射レーザ光１６０の焦点位置を入力光量減少部１１０よりも十分に手前に設定した場合であっても、集光レンズ１２０によって光量測定部１３０の光量検出範囲内へ所定のビーム径で入射させることができるため、入力光量減少部１１０内での入射する際の入射レーザ光１６０のパワー密度を低減させることができる。その結果、ミラー、レンズ、ダンパ等のレーザパワー耐性に関する信頼性を向上させることができる。

また、本実施の形態では入力光量減少部１１０が、第１の部分反射ミラー１１１と、第２の部分反射ミラー１１２と、部分透過フィルタ１１３と、第１のダンパー部１１４と、ダンパウィンドウ１１６と、と、第２のダンパー部１１８と、水循環用配管部１１９とを備えている場合を説明したが、必ずしもこれら全ての構成が必要なわけでなく、例えば元の入射レーザ光の出力が小さく部分透過フィルタ１１３のみで光量測定部１３０の最大受光パワー以下に光量を調整できる場合は、入力光量減少部１１０が備えるのは部分透過フィルタ１１３のみであってもよい。

図８は本実施の形態に係る入力光量減少部１１０が部分透過フィルタ１１３のみを備えている場合の概略構成図である。

ここでは、入射した入射レーザ光１６０は部分透過フィルタ１１３によって所定の割合で透過し、残りは吸収される。ここまでで、入射レーザ光１６０は光量測定部１３０の最大受光パワー以下に光量が減少している。

次に、集光レンズに入射した部分透過フィルタ透過レーザ光１６３は集光レンズによって所定の割合にデフォーカスでビーム径を調整されるように集光される。

次に、集光された光量測定部入射レーザ光１６４は所定の割合にデフォーカスされたことで、光量測定部１３０の光量検出範囲の光量検出部の複数箇所１３１ａ〜ｄの全てへ入射し、各々の光量が測定される。

トータル光量やスポット重心位置の算出、それらから較正式を用いて、実際のレーザ光の出力と照射位置を算出する過程は前述の全ての構成を備える場合と同様ある。

更に、本発明のレーザ加工方法によれば、具備するレーザ出力測定装置が入射したレーザ光照射位置と出力値を同時に測定することができるので、設定出力と所定の狙い位置に対して実際のレーザ出力と照射位置がずれていた場合にそれらを同時に自動補正することを可能とする。

＜附帯構成の説明＞
本発明の効果をより高める附帯構成について図面を用いて説明する。

図６は本実施の形態に係るレーザ導入部における開閉シャッター部の動作を示す概略構成図である。図６（ａ）はシャッターを閉じたときの状態、図６（ｂ）はシャッターを開いたときの状態を示している。

本図において、開閉シャッター部１４０はシャッター１４１とシャッター開閉機構部１４２と樹脂製リング１４３と樹脂製リングホルダー１４４とショックアブソーバー１４５とを備える。

シャッター１４１は閉の時、保護ガラス部１５０に対して上から蓋をするような形状をもちシャッター開閉機構部１４２にとりつけられている。

シャッター開閉機構部１４２はロータリーソレノイドを用いており、外部よりＯＮ信号を入力するとソレノイドの軸部分が所定の角度分だけ回転する。この軸部分がシャッター１４１に取り付けられている。

樹脂製リング１４３は円形の形状を持ち、シャッター１４１と保護ガラス部１５０と衝突する際の衝撃を吸収するものである。

樹脂製リングホルダー１４４は樹脂製リング１４３をシャッター１４１の保護ガラス部との接触面に落下しないように固定するものである。

ショックアブソーバー１４５はシャッター１４１がシャッター開閉機構部１４２によって閉から開になる際、ソレノイドが直接あて止めされるとその衝撃が強く開閉シャッター部１４０の信頼性低下の原因となるので、それを防ぐためにあて止め前から回転のスピードを抑えながらあて止めさせることで、衝撃を低減させるためのものである。

以上のように構成された本発明の開閉シャッター部１４０の動作について図面を用いて説明する。

まず、レーザ光をレーザ出力測定装置１００へ照射する前に図６（ａ）にあるシャッターが閉じたときの状態で、制御部からシャッター開閉機構部１４２のロータリーソレノイドへＯＮ信号が送られる。

次に、その信号によってソレノイドの回転軸が回転を始め、ぞれに伴ってシャッター１４１が開の方向へ回転しながら開いていく。

次に、ソレノイドがあて止めされ、完全な開状態になる直前にシャッター１４１のショックアブソーバー１４５との接触面がショックアブソーバー１４５へ接触を始める。

次に、ショックアブソーバー１４５の作用によってソレノイドの回転スピードが抑制され、すなわちシャッター１４１が開くスピードも抑えられる。

次にショックアブソーバーによって回転スピードを抑制されながらあて止め箇所までソレノイドの軸が回転し、衝撃が低減されてソレノイドの軸があて止めされ、すなわちシャッター１４１が全開状態となる。

次にレーザ光がレーザ測定装置内へ照射され、出力と位置の同時測定が行われ、終了する
次に制御部からシャッター開閉機構部１４２のロータリーソレノイドへＯＦＦ信号が送られる。

次に、その信号によってソレノイドの回転軸が回転を始め、それに伴ってシャッター１４１が閉の方向へ回転しながら閉まっていく。

次に、シャッター１４１が完全に閉まる際に保護ガラス部１５０と衝突する衝撃を樹脂製リング１４３がクッションとなって衝撃を吸収し、衝撃が低減されてシャッター１４１が図６（ｂ）の全閉状態となる。

以上に述べたように、本実施の形態に係る開閉シャッター部１４０によれば、開閉時の各々の衝突の際の衝撃を低減させ、繰り返し使用時の開閉シャッター部１４０の信頼性を向上させることができる。

次に、図７は本実施の形態に係るレーザ導入部における保護ガラス部の脱着動作を示す概略構成図である。図７（ａ）は保護ガラス１５１を備える保護ガラスホルダー１５２を保護ガラス部１５０に装着したときの状態、図７（ｂ）は同様な保護ガラスホルダー１５２を取り外したときの状態を示している。

本図において、保護ガラス部１５０は開閉シャッター部１４０が開状態の際にレーザ出力測定装置１００の内部への外部からのゴミの侵入を防ぐものであり、保護ガラス１５１と、保護ガラスホルダー１５２とを備える。保護ガラス１５１はレーザ光がすべて透過させるが、ゴミ等は通さない。保護ガラスホルダー１５２は保護ガラス１５１を保持し、手で持ちやすい形状になっている。

以上のように構成された本発明の保護ガラス部１５０の動作について図面を用いて説明する。

まず、保護ガラスホルダーが装着されている図７（ａ）の状態でレーザ出力と位置の同時測定を行う。

次に、使用していく中で何らかの要因で保護ガラスが汚れた場合、保護ガラスホルダー１５２を挿入部より引き抜くことで保護ガラス部１５０より保護ガラスホルダー１５２を取り外すことができる。

次に、汚れた保護ガラス１５１ふいて清掃する、または保護ガラス１５１を保護ガラスホルダー１５２より取り外して交換する。

次に、きれいな保護ガラス１５１を装着した状態の保護ガラスホルダー１５２を保護ガラス部１５０へ挿入部に挿入するだけで再び保護ガラスホルダー１５２を保護ガラス部１５０へ装着することができる。

以上に述べたように、本実施の形態に係る保護ガラス部１５０によれば、保護ガラスが汚れた際の交換、清掃作業が外部から引き抜く、挿入するだけで可能であり、非常に簡易であり、作業時間を低減することができる。

本発明にかかるレーザ出力測定装置は、入射したレーザ光のスポットの位置と出力値を同時に測定することができるものであり、金属材料の溶接や切断に用いられるレーザ光の出力を測定するレーザ出力測定装置等において有用である。

１００ レーザ出力測定装置
１１０ 入力光量減少部
１１１ 第１の部分反射ミラー
１１２ 第２の部分反射ミラー
１１３ 部分透過フィルタ
１１４ 第１のダンパー部
１１５ 水
１１６ ダンパウィンドウ
１１７ 円錐形状部
１１８ 第２のダンパー部
１１９ 水循環用配管部
１２０ 集光レンズ
１３０ 光量測定部
１３１ａ 第１の光量検出部
１３１ｂ 第２の光量検出部
１３１ｃ 第３の光量検出部
１３１ｄ 第４の光量検出部
１３２ 光量検出範囲
１４０ 開閉シャッター部
１４１ シャッター
１４２ シャッター開閉機構部
１４３ 樹脂製リング
１５０ 保護ガラス部
１５１ 保護ガラス
１５２ 保護ガラスホルダー
１５３ ホルダー挿入部
１５４ 保護ガラスホルダー固定ネジ
１６０ 入射レーザ光
１６１ １ｓｔ部分反射ミラー透過レーザ光
１６２ ２ｎｄ部分反射ミラー透過レーザ光
１６３ 部分透過フィルタ透過レーザ光
１６４ 光量測定部入射レーザ光
１６５ａ 集光レンズ中心入射レーザ光
１６５ｂ 集光レンズ端寄入射レーザ光
１７０ 筐体部
１８１ａ 第１の基準位置設定用目印
１８１ｂ 第２の基準位置設定用目印
２００ レーザ発振器
２１０ アクチュエータ
２２０ レーザ出射ヘッド
２３０ 制御部
２４０ 位置・出力算出部
２５０ 出力信号記憶部
２６０ レーザ伝送ファイバ
３００ 出射レーザ光
９９９ レーザ加工システム

Claims (14)

1. レーザ光を所定の位置に照射するレーザヘッドと、先端に取り付けられた前記レーザヘッドを６軸を動かすことで所定の位置へ移動させるアクチュエータと、少なくとも前記アクチュエータと前記レーザヘッドとレーザ光の出力設定値を制御する制御部とともにレーザ加工システムを構成するレーザ出力測定装置であって、
   入力されたレーザ光の光量を減少させる入力光量減少部と、
   前記入力光量減少部を通過したレーザ光の光量を測定する光量検出部を光量検出範囲に複数箇所配置した光量測定部と、
   前記光量測定部の光量検出範囲に対して所定の割合にデフォーカスでビーム径を設定し、少なくとも入射範囲のレーザ光が前記光量検出範囲の一部に集光するような焦点距離と位置の関係に設置された集光レンズとを備え、
   前記アクチュエータに対して任意の位置に固定されたレーザ出力測定装置。
2. 前記集光レンズを保持するレンズホルダーと、
   前記レンズホルダーを光軸方向に可動に構成したフォーカス位置調整部を備えた請求項１に記載のレーザ出力測定装置。
3. 前記入力光量減少部に部分反射ミラーと、
   前記部分反射ミラーからの反射光を受けるダンパー部とを備えた請求項１または２に記載のレーザ出力測定装置。
4. 前記ダンパー部と部分反射ミラーとの空間を仕切るダンパウィンドウを備え、
   前記ダンパー部を水で満たした請求項３に記載のレーザ出力測定装置。
5. 前記ダンパウィンドウの入射側表面に反射防止膜を備えた請求項４に記載のレーザ出力測定装置。
6. 前記入力光量減少部に透過率を所定の値に設定したフィルタを備えた請求項１から５のいずれかに記載のレーザ出力測定装置。
7. 前記光量測定部が、前記光量検出範囲を４分割するように配置されたフォトダイオードである請求項１から６のいずれかに記載のレーザ出力測定装置。
8. 前記入力光量減少部と前記光量測定部を内包する筐体部と、
   前記筐体部に設置されたレーザ導入部と、を備え、
   前記レーザ導入部が、前記光量測定部に向けて照射されたレーザ光を通過させるアパーチャーと、開閉シャッターを備えた請求項１から７のいずれかに記載のレーザ出力測定装置。
9. 前記レーザ導入部が、さらに、保護ガラスと、前記保護ガラスを保持するガラスホルダーと、前記ガラスホルダーを挿入するガラスホルダー挿入部とを備えた請求項８に記載のレーザ出力測定装置。
10. 前記筐体部の天板に第１の基準点と第２の基準点を記した請求項８または９に記載のレーザ出力測定装置。
11. 請求項１から７のいずれかに記載のレーザ出力測定装置を備えた前記レーザ加工システムによるレーザ加工方法であって、
    レーザ光を前記レーザ出力測定装置に照射する工程と、
    前記レーザ出力測定装置の出力信号を受信する工程と、
    前記出力信号の値に基づき前記レーザ光のスポット位置と強度を所定のアルゴリズムで計算するレーザ出力位置算出工程と、
    前記出力信号の値を記憶する記憶工程を備えたレーザ加工方法。
12. 請求項８から１０のいずれかに記載のレーザ出力測定装置を備えた前記レーザ加工システムによるレーザ加工方法であって、
    レーザ光を前記レーザ出力測定装置に照射する工程と、
    前記レーザ出力測定装置の出力信号を受信する工程と、
    前記出力信号の値に基づき前記レーザ光のスポット位置と強度を所定のアルゴリズムで計算するレーザ出力位置算出工程と、
    前記出力信号の値を記憶する記憶工程を備え、
    前記レーザヘッドより前記レーザ出力測定装置へ向けてレーザが照射される場合のみ前記開閉シャッターを開とし、それ以外の場合は前記開閉シャッターを常に閉となるように前記制御部で制御するレーザ加工方法。
13. 前記レーザ出力位置算出工程によって算出したレーザ光のスポット位置算出値の、基準値に対する差異が、第１のしきい値以上の場合は、警告を発し、前記レーザ加工システムを停止させ、
    前記レーザ出力位置算出工程によって算出したレーザ光のスポット位置算出値の基準値に対する差異が、第１のしきい値未満且つ第２のしきい値以上の場合は、前記制御部によって前記アクチュエータを制御して、所定の手順で前記レーザヘッドの位置を修正する、
    レーザ照射位置補正工程を備える請求項１１または１２に記載のレーザ加工方法。
14. 前記レーザ出力位置算出工程によって算出したレーザ光の強度算出値の、基準値に対する差異が、第３のしきい値以上の場合は、警告を発し、前記レーザ加工システムを停止させ、
    前記レーザ出力位置算出工程によって算出したレーザ光の強度算出値の、基準値に対する差異が、第３のしきい値未満且つ第４のしきい値以上の場合は、前記制御部によってレーザ出力設定値を所定の手順で修正する、
    レーザ出力強度補正工程を備える請求項１１から１３のいずれかに記載のレーザ加工方
    法。

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