レーザ光伝送装置、レーザ光伝送システム、レーザ光伝送方法
【課題】光ファイバを用いた伝送システムでは、光ファイバの曲げ、捻り、加重などにより、光ファイバ出口からのレーザ開口率が変化してしまう。
【解決手段】レーザ光を伝送するレーザ光伝送装置であって、入射端にレーザ光が入射し出射端からレーザ光が出射される光ファイバと、レーザ光の光源と光ファイバの入射端を光学的に接続し、入射端に前記レーザ光を入射する入射光学系と、入射光学系から入射端に入射されるレーザ光の光軸と入射端面との角度を変化させる入射角度調整手段と、を備え、入射端に入射されるレーザ光の光軸と入射端面との角度を変化させることで出射端から出射されるレーザ光の開口率を制御する。
【解決手段】レーザ光を伝送するレーザ光伝送装置であって、入射端にレーザ光が入射し出射端からレーザ光が出射される光ファイバと、レーザ光の光源と光ファイバの入射端を光学的に接続し、入射端に前記レーザ光を入射する入射光学系と、入射光学系から入射端に入射されるレーザ光の光軸と入射端面との角度を変化させる入射角度調整手段と、を備え、入射端に入射されるレーザ光の光軸と入射端面との角度を変化させることで出射端から出射されるレーザ光の開口率を制御する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、作業対象物へレーザ光を伝送するレーザ光伝送装置、レーザ光伝送システム、レーザ光伝送方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザ光をエネルギ源とする溶接、切断、超音波検査、ピーニング等のレーザ施工プロセスにおいて、エネルギを作業対象物まで伝送する手段の１つとして、光ファイバを用いたファイバ伝送システムが用いられている（例えば、特許文献１参照。）。一般的に前述のようなレーザ施工プロセスを実施する場合、レーザ光源としてのレーザ発振器を施工箇所から離れた場所に設置し、施工ヘッドのエンドエフェクタ（施工ヘッド）にレーザ光を伝送し、エンドエフェクタから照射されるレーザ光を走査させて行う。
【０００３】
前述の光ファイバ伝送システムは、伝送に必要なスペースが小さく、導光路がフレキシブルであることから経路設定が容易であるという利点がある。また、伝送経路内の調整の必要な光学系がないためファイバ伝送システムは安全かつ容易にエネルギを伝送することができる。このため、近年ではファイバ伝送システムが広く利用されている。
【０００４】
特に、光ファイバによる伝送距離が長い場合や、高頻度に装置交換が行われて交換作業による光ファイバの損傷リスクが高い場合等では、複数の光ファイバを光ファイバ中継器により接続してレーザ光の伝送を行っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−２５４００６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述した光ファイバを用いた伝送システムでは、光ファイバの曲げ、捻り、加重などにより、光ファイバ出口からのレーザ開口率（以下、ＮＡと呼称する）が変化する。レーザ施工プロセスでは、エンドエフェクタから施工対象に照射されるレーザ光のスポット径が変化すると、レーザのエネルギ密度が変化するため施工結果に大きく影響を及ぼす。例えば、レーザ溶接の場合、搭載される光学系のバックフォーカスによってエンドエフェクタ（溶接ヘッド）と施工対象との相対位置を決定し、施工を行う。このとき、光ファイバ出口でのＮＡが一定であれば、スポット径が施工可能な範囲となるエンドエフェクタの位置（エンドエフェクタからの距離）は変動しないため、エンドエフェクタに求められる位置決め精度は高くない。しかし、ＮＡが変化すると、スポット径が施工可能な範囲となるエンドエフェクタ位置が変化する。したがって、エンドエフェクタに高精度な位置決めが求められる。さらに、ＮＡ変動幅が大きければ、それに応じてエンドエフェクタを頻繁に移動させる必要がある。このため、エンドエフェクタの駆動機構の大型化、複雑化が必要となり得る。
【０００７】
また、ＮＡの変化がレーザ光を伝送する光学系の設計の許容範囲よりも大きくなると、エネルギ伝送効率の低下にもつながり、光ファイバや光学系の損傷等も発生し得る。
【０００８】
上述した課題を鑑み、本発明では、施工対象に照射されるレーザ光が光ファイバから出射されるときのＮＡを所望の範囲に維持することができるレーザ光伝送装置、レーザ光伝送システム、レーザ光伝送方法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】
【０００９】
上記目的を達成するため、本発明の実施形態によるレーザ光伝送装置は、入射端にレーザ光が入射し、出射端から前記レーザ光が出射される光ファイバと、レーザ光の光源と前記光ファイバの前記入射端を光学的に接続し、前記入射端に前記レーザ光を入射する入射光学系と、前記入射光学系から前記入射端に入射される前記レーザ光の光軸と前記入射端面との角度を変化させる入射角度調整手段と、を備えることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明の実施形態によるレーザ光伝送システムは、レーザ光の光源と、入射端にレーザ光が入射し、出射端から前記レーザ光が出射される光ファイバと、レーザ光の光源と前記光ファイバの前記入射端を光学的に接続し、前記入射端に前記レーザ光を入射する入射光学系と、前記入射光学系から前記入射端に入射される前記レーザ光の光軸と前記入射端面との角度を変化させる入射角度調整手段と、前記出射端と接続され、前記出射端から出射された前記レーザ光を作業対象物に照射する照射ヘッドと、を備えることを特徴とする。
【００１１】
さらに、本発明の実施形態によるレーザ光照射方法は、光源から出射したレーザ光を集光して光ファイバの入射端に入射させる入射ステップと、前記光ファイバの出射端から出射したレーザ光を作業対象物に照射する照射ステップを備えるレーザ光照射方法であって、前記集光されたレーザ光の光軸と前記入射端の角度を変更し、前記出射端から出射される前記レーザ光の開口率を調整する開口率調整ステップをさらに備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の各実施形態に係るレーザ光伝送システム、レーザ伝送光ファイバ中継器、レーザ光伝送方法によれば、施工対象に照射されるレーザ光の光ファイバから出射されるときのＮＡを所望の範囲に調整することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】第１の実施形態によるレーザ光伝送システムの、主にエンドエフェクタ部の概要を示す図。
【図２】（ａ）は第1の実施形態によるレーザ光伝送システムの全体構成の概要を示すブロック図、（ｂ）は開口率調整機構の構成を示す図、（ｃ）は溶接ヘッドの概要を示す縦断面図。
【図３】（ａ）は光ファイバの入射端近傍を傾けずにレーザ光を入射する状態を示す要部拡大図、（ｂ）は光ファイバの入射端近傍をθ２傾けてレーザ光を入射する状態を示す要部拡大図。
【図４】（ａ）、（ｂ）はそれぞれ、光ファイバの入射端近傍をθ２’、θ２’’傾けてレーザ光を入射する状態を示す要部拡大図、（ｃ）は光ファイバの入射端近傍を傾けることで出射されるレーザ光のＮＡの変化を示す要部拡大図。
【図５】（ａ）はレーザ光の径ｄと光ファイバ入射端近傍の角度θの関係を示すグラフ、（ｂ）はＮＡと角度θの関係を示すグラフ。
【図６】（ａ）は第２の実施形態によるレーザ光伝送システムの概要を示すブロック図、（ｂ）は中継器の構成を示す図。
【図７】第３の実施形態による溶接ヘッドの概要を示す縦断面図。
【図８】第３の実施形態の第1変形例による溶接ヘッドの概要を示す縦断面図。
【図９】第３の実施形態の第２変形例による溶接ヘッドの概要を示す縦断面図。
【図１０】第３の実施形態の第３変形例による溶接ヘッドの概要を示す縦断面図。
【図１１】第４の実施形態による中継器の概要を示す図。
【図１２】第５の実施形態による中継器の概要を示す図。
【図１３】第５の実施形態の変形例による中継器の概要を示す図。
【図１４】第６の実施形態による中継器の概要を示す図。
【図１５】第７の実施形態による中継器の概要を示す図。
【図１６】第８の実施形態による中継器の概要を示す図。
【図１７】第９の実施形態によるレーザ光伝送システムの概要を示すブロック図。
【図１８】第９の実施形態による中継器の、分岐光学系の概要を示す図。
【図１９】（ａ）は第１０の実施形態によるレーザ光伝送システムの概要を示すブロック図、（ｂ）は溶接ヘッド近傍の要部拡大図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。
（第１の実施形態）
【００１５】
図１は、本実施形態によるレーザ光伝送システムの、主にエンドエフェクタ部の概要を示すブロック図である。図１を用いて、施工対象に照射されるレーザ光の、光ファイバから出射されるときのＮＡについて説明する。なお、図１ではＮＡの説明を簡潔にするべく、一部構成を省略して図示している。また、各実施形態においては、施工プロセスをレーザ溶接として説明する。
【００１６】
内部に光源であるレーザ発振器１および開口率調整機構２０が設置されたケーシング２と、エンドエフェクタである溶接ヘッド１０が、光ファイバ２１を介して接続されている。光ファイバ２１の各端は、それぞれファイバコネクタ１１によってケーシング２、溶接ヘッド１０に精密に位置決め固定されている。
【００１７】
溶接ヘッド１０の内部には、溶接ヘッドコリメートレンズ１２、溶接ヘッド集光レンズ１３が配置されている。また、溶接ヘッド１０の溶接ノズル１６には、施工箇所近傍にカバーガスを供給するためのカバーガスホース１７が接続されている。
【００１８】
レーザ発振器１から出射したレーザは、開口率調整機構２０を経由して入射端２１ａから光ファイバ２１に入射し、溶接ヘッド１０内の出射端２１ｂから出射される（レーザ光Ｌ７）。そして、溶接ヘッドコリメートレンズ１２によって平行なレーザ光Ｌ８とされ、さらに溶接ヘッド集光レンズ１３によって集光され（レーザ光Ｌ９）、施工対象へ照射される。
【００１９】
以下、出射端２１ｂから出射するレーザのＮＡの変化について、図１を用いて説明する。出射端２１ｂから出射するレーザのＮＡは、光ファイバ２１に取り扱いや敷設状態による曲げ、捩れ、圧縮等が加わることにより変化する。ＮＡがθＡからθＢに変化した場合、レーザがＬ８からＬ８’に変化して、レーザ光径が大きくなる。すると、施工可能なスポット径が図１に示すＤ１以上Ｄ２以下である場合、溶接ヘッド集光レンズ１３の焦点位置よりも施工対象側の施工可能なレーザ光径となる範囲（以下、許容施工距離範囲と記述する。）は、θＡ→θＢの変化にともなってＺＡ→ＺＢに変化する。通常、施工対象の位置が許容施工距離範囲の中心となるように溶接ヘッド集光レンズ１３から施工対象までの距離（以下、施工距離と記述する。）を制御する。したがって、ＮＡがθＡからθＢに変化すると、施工距離はＷＤＡからＷＤＢに変化する。これに合わせて溶接ヘッド１０の位置を変えなければならない。
【００２０】
また、ＮＡが大きくなったことにより、許容施工距離範囲はＺＡからＺＢに変化して短くなっていることが分かる。すなわち、溶接ヘッド１０の位置ずれによる施工距離の誤差許容範囲が少なくなるため、施工条件が厳しくなり、より高い位置決め精度が必要となる。
【００２１】
次に、図２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）を用いて、本実施例によるレーザ伝送システムの構成について説明する。図２（ａ）は本実施形態によるレーザ光伝送システムの全体構成の概要を示すブロック図、図２（ｂ）は開口率調整機構の詳細を示すブロック図、図２（ｃ）は溶接ヘッド１０の概要を示す断面図である。なお、各実施形態において、信号伝送のためのケーブルは破線で図示する。
【００２２】
まず、レーザ光伝送システム１００ａの概要について説明する。レーザ光伝送システム１００ａは、レーザ発振器１が出力するレーザ光Ｌ１を開口率調整機構２０、光ファイバ２１を経由して溶接ヘッド１０に伝送し、作業対象１０１にレーザ光を照射する。
【００２３】
開口率調整機構２０は、光ファイバ２１の出射端２１ｂ側でのレーザ光の開口率の補正を行なうものである。溶接ヘッド１０内には溶接ヘッド１０内でコリメートされたレーザ光の形状を計測するセンサが設けられている。
【００２４】
検出器３がこのセンサの検出信号を収集してレーザ光のビーム径を検出し、計算機４に送信する。計算機４は検出器３から受けた信号に基づいて、光ファイバ２１の状態（曲げ等）による開口率の変動量を計算する。さらに、開口率変動量の計算結果に基づいて開口率調整機構２０の駆動量を決定し、開口率調整機構のドライバ５に送信する。ドライバ５は計算機４から受信した開口率調整機構２０の駆動量を制御信号に変換し、開口率調整機構２０に送信する。開口率調整機構２０は、ドライバ５から受信した制御信号に従い開口率補正処理を行う。
【００２５】
次に、図２（ｂ）を用いて、開口率調整機構２０の構成および開口率調整機構２０による開口率補正処理について説明する。開口率調整機構２０には、レーザ発振器１から入射したレーザ光Ｌ１を平行化してレーザ光Ｌ２とするコリメートレンズ２２、レーザ光Ｌ２を反射して方向を変える（レーザ光Ｌ３）ミラー２３、レーザ光Ｌ３を集光させ（レーザ光Ｌ４）、開口率調整機構２０に接続された光ファイバ２１の入射端２１ａに入射させる集光レンズ２４が配置されている。光ファイバ２１は、ファイバコネクタ２５（円筒型棒端子）によって正確に位置固定されている。
【００２６】
さらに、ファイバコネクタ２５と光ファイバ２１は、アクチュエータ２６（例えば、ＤＣサーボモータ）によって入射端２１ａの位置を中心に回転可能に構成されている。このアクチュエータ２６はドライバ５に接続されており、ドライバ５からの制御信号に応じて駆動する。
【００２７】
次に、図２（ｃ）を用いて、溶接ヘッド１０の構成について説明する。溶接ヘッド１０には、ファイバコネクタ１１によって光ファイバ２１の出射端２１ｂ側が固定されている。出射端２１ｂから出射されたレーザ光Ｌ７は、溶接ヘッドコリメートレンズ１２によって平行なレーザ光Ｌ８とされる。このレーザ光Ｌ８は、溶接ヘッド集光レンズ１３によって集光され、作業対象１０１に照射される（レーザ光Ｌ９）。
【００２８】
溶接ヘッドコリメートレンズ１２と溶接ヘッド集光レンズ１３の間にはサンプリングミラー１４が設置されており、レーザ光Ｌ８の一部を反射（レーザ光Ｌ１０）する。レーザ光Ｌ１０は、溶接ヘッド内に設けられたビーム形状センサ１５（例えばＣＣＤ素子）に照射される。このビーム形状センサ１５は、上述の検出器３Ａに接続されたセンサである。
【００２９】
なお、溶接ヘッド１０に内蔵している光学系（溶接ヘッドコリメートレンズ１２、溶接ヘッド集光レンズ１３）は、溶接施工で作業対象１０１に設定した溶融エネルギが供給できるようにレーザ光の焦点径と距離を決定した上で製作・配置されている。
【００３０】
次に、開口率調整機構２０による開口率調整について、図３を用いて説明する。図３（ａ）（ｂ）はそれぞれ、光ファイバ２１へ入射するレーザ光の入射方法の一例を示す。図３（ａ）は、光ファイバ２１の入射端２１ａの面がレーザ光Ｌ４の光軸に垂直な状態を、（ｂ）は入射端２１ａの面が（ａ）よりもθ２傾いた状態を示している。
【００３１】
集光レンズ２４は、上述したようにレーザ光Ｌ３を集光して光ファイバ２１に入射させるもので、光ファイバに入射可能なＮＡを考慮し焦点距離ｆ１を選択してある。光ファイバ２１の入射端２１ａは、集光レンズ２４の焦点位置となるよう配置されている。
【００３２】
光ファイバ２１は、図３（ａ）、（ｂ）に示すように、アクチュエータ２６により入射端２１ａの位置を中心に回転可能である。光ファイバ２１から出射されるレーザ光Ｌ７の開口率は、光ファイバ２１へ入射するレーザ光の入射角度によって変化する。
【００３３】
この開口率変化について、図４、図５を用いて、光ファイバ１へレーザ光Ｌ４を入射する角度θ２と光ファイバ１が照射するレーザ光Ｌ７の開口率との関係を説明する。図４（ａ）、（ｂ）はそれぞれ、レーザ光Ｌ３の光軸に対して入射端２１ａの面を角度θ２’，θ２’’傾けた状態を示す入射端２１ａ近傍の要部拡大図、図４（ｃ）は図４（ａ）、（ｂ）に対応するＮＡを示す出射端２１ｂ近傍の要部拡大図である。
【００３４】
図５（ａ）は出射端２１ｂから所定距離離れた位置のレーザ光Ｌ７の径ｄ２と角度θの関係を示すグラフ、図５（ｂ）はＮＡと角度θの関係を示したグラフである。
【００３５】
光ファイバ２１から出射されるレーザ光Ｌ７の開口率調整は、図４（ａ）、（ｂ）に示すように、集光させたレーザ光Ｌ４を光ファイバ２１へ入射する角度をθ２’からθ２”へ傾けると、出射端２１ｂから出射されたレーザ光は図４（ｃ）に示すＬ７’からＬ７”へと変化し、レーザ光径がｄ２’からｄ２”へ変化する。
【００３６】
ここで、ＮＡを以下の式（１）で定義すると、θとＮＡの関係は図５（ｂ）に示すようになる。
【００３７】
ＮＡ（θ２’）＝ｓｉｎ｛（θ４＋θ２’）／２）｝ （１）
なお、θ４はレーザ光Ｌ４の開口率である。
【００３８】
このように、レーザ光のＮＡは入射端２１ａへ入射する角度θ２に応じて変化する。したがって、アクチュエータ２６の駆動により、レーザ光Ｌ７の開口率を変化させることが可能である。
【００３９】
次に、溶接ヘッド１０に備えるビーム形状センサ１５からのセンサ信号で、出射端２１ｂから出射したレーザ光Ｌ７のＮＡを補正する手順を説明する。
【００４０】
レーザ発振器１で生成されたレーザ光は、光ファイバ１を経由して溶接ヘッド１０に伝送される。溶接ヘッド１０内で溶接ヘッドコリメートレンズ１２に平行化されたレーザ光Ｌ８は、上述した通り、サンプリングミラーによってエネルギの一部（例えば１％以下）が反射され、レーザ光Ｌ１０がビーム形状センサ１５に照射される。
【００４１】
ビーム形状センサ１５はレーザ光Ｌ１０の照射に応じて、検出信号を検出器３へ送信する。検出器３は、検出信号に基づいてレーザ光Ｌ１０の径を検出する。
【００４２】
次に、計算機４が検出器３の検出信号に基づいて入射端２１ａへのレーザ光の入射角度θ２を算出してアクチュエータ２６の駆動量を求めてドライバ５へ送信し、ドライバ５が制御信号を生成してアクチュエータ２６に送信してアクチュエータ２６が駆動される。この一連の動作により、溶接ヘッド１０内のレーザ光Ｌ７の開口率を調整することが可能である。
【００４３】
以上説明したように、本実施形態によれば、レーザ光の光ファイバへの入射角度によって出射された際の開口率が変化する特性を利用し、光ファイバの入射端近傍を回転機構により回動させて当該入射角度を制御することで光ファイバから出射されるレーザ光の開口率を調整することができる。
【００４４】
したがって、レーザ光を伝送する光ファイバの取り扱いや引き回し等の要因がエンドエフェクタから出射されるレーザ光のＮＡに影響を与える場合でも、開口率調整機構の制御によって所望のＮＡを安定して得ることができる。
【００４５】
更に、施工対象物の施工面が平面でなく凸凹形状や傾斜面である場合に、開口率の制御によって、エンドエフェクタと施工対象物の距離を変化させることなく所望のスポット径に維持することが可能であり、エンドエフェクタそのものを駆動する機構の小型化が可能となる。
【００４６】
なお、本実施形態においては、エンドエフェクタである溶接ヘッド１０内でレーザ光Ｌ７のビーム径を測定して開口率調整機構２０を駆動するものとしていたが、ビーム径をリアルタイムで測定する必要がない場合はこの限りではない。例えば、多層溶接やレーザピーニング施工等のように、同一の、またはほぼ同一の施工パスを反復してレーザ照射を行なうようなプロセスの場合は、１パス目の施工で開口率調整機構２０の１パス分の駆動プロファイルを取得し、２パス目以降の施工では同じ（施工方向が逆の場合は逆転させた）プロファイルを適用することで、ＮＡ計算を省略してもよい。
（第２の実施形態）
【００４７】
本発明の第２の実施形態について、図面を用いて以下説明する。なお、第１の実施形態と同じ構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【００４８】
レーザ光の伝送距離が長いアプリケーションの場合に、複数の光ファイバ中継器で接続した構成を用いる場合がある。本実施形態では、複数の光ファイバ中継する中継器が、第１の実施形態で説明した開口率調整機構２０に相当する機能を備えている。また、中継器それぞれに、ビーム径を計測するセンサが搭載されている。
【００４９】
本実施例によるレーザ光伝送システムについて、図６を用いて説明する。図６（ａ）はレーザ光伝送システム１００ｂの概要を示すブロック図、図６（ｂ）は中継器１０２ａの詳細を示すブロック図である。
【００５０】
第２の実施形態では３本の光ファイバ３１、３２、３３を用いてレーザ光を溶接ヘッド１０まで伝送しており、光ファイバ３１と３２を中継器１０２ａにより、また光ファイバ３２と３３を中継器１０２ｂにより光学的に接続している。
【００５１】
次に、中継器１０２ａの構成について、図６（ｂ）を用いて説明する。中継器１０２ａにはレーザ発振器１から出射されたレーザ光を伝送する光ファイバ３１と、中継器１０２ｂに接続された光ファイバ３２が接続されている。中継器１０２ａの構造は、光ファイバ３１からレーザ光が入射し、内部を通過したレーザ光を光ファイバ３２に入射させる構成となっており、光ファイバ３２の入射端３２ａ近傍を、入射端３２ａを回転中心にして回転可能とされている。
【００５２】
また、第１の実施形態の開口率調整機構２０ではミラー２３が配置されていたが、中継器１０２ａではミラー２３に代えてサンプリングミラー２３ａが配置されている。このサンプリングミラー２３ａは、レーザ光Ｌ１２のエネルギの一部（１％以下）を透過し（レーザ光Ｌ１５）、大半のエネルギを反射する（レーザ光Ｌ１３）。
【００５３】
また、サンプリングミラー２３ａを透過したレーザ光Ｌ５を集光させる（レーザ光Ｌ６）ビーム形状センサ用集光レンズ２８ａ、レーザ光Ｌ６の形状を検出するビーム形状センサ２９ａ（例えばＣＣＤ素子）が設けられている。このビーム形状センサ２９ａは、上述の検出器３Ｂに接続されたセンサである。このビーム形状センサ２９ａにより、光ファイバ３１から出射されたレーザ光のビーム径を計測することができる。
【００５４】
中継器１０２ｂの図示は省略するが、光ファイバ３２，３３が接続されているほかは中継器１０２ａと同様であり、光ファイバ３３の入射端を回転可能な構成となっている。また、光ファイバ３２から出射されたレーザ光のビーム径をビーム形状センサ２９ｂによって計測することができる。すなわち、光ファイバ３２の曲げ、捩れ、圧縮等による開口率変化を把握することができる。
【００５５】
中継器１０２ａ、中継器１０２ｂ、溶接ヘッド１０に配置されたビーム形状センサはそれぞれ、検出器３Ｂ、３Ｃ、３Ｄに接続されている。検出器３Ｂ、３Ｃ、３Ｄは計算機４に接続され、計算機４はドライバ５に接続されている。ドライバ５は中継器１０２ａ、１０２ｂ内のアクチュエータに接続される。
【００５６】
本実施形態の計算機４は、溶接ヘッド１０でのビーム径を所望の範囲に維持するべく、複数のアクチュエータの駆動量を算出する。この具体的な処理について、以下説明する。
【００５７】
まず、ビーム形状センサ２９ａでレーザ光Ｌ１５のビーム形状を検出し、ビーム形状の検出信号を検出器３Ｃに伝送する。前記ビーム形状データを受信した検出器３Ｃは、ビーム径データを検出して、計算機４へ送信する。
【００５８】
計算機５は、受信したビーム径データと、ビーム形状センサ用集光レンズ２８ａの焦点距離と、ビーム形状センサ用集光レンズ２８ａとビーム形状センサ２９ａとの設置距離からレーザビームＬ１１のビーム径ｄ１を算出する。さらに、算出されたｄ１とビーム形状センサ用集光レンズ２８ａの焦点距離から、レーザビームＬ１３の集光角度θ４を算出する。
【００５９】
次に、算出されたθ４を用いて光ファイバ３２から出射されるレーザ光のＮＡが目標値となるように光ファイバ３２の入射端側の取付角度θ２を算出し、アクチュエータを駆動させる制御信号を生成してドライバ５に送信し、ドライバ５は制御信号に基づいてアクチュエータの回転角度がθ２になるように制御を行う。
【００６０】
このように、本実施形態によれば、光ファイバを光学的に中継する中継器に開口率調整機構２０を搭載することで、第１の実施形態と同様の効果が得られる。
【００６１】
また、光ファイバ３１の曲げ、捩れによるビーム径の変化は中継器１０２ａのビーム形状センサで、光ファイバ３２の曲げ、捩れによるビーム径の変化は中継器１０２ｂのビーム形状センサで、光ファイバ３３の曲げ、捩れによるビーム径の変化は溶接ヘッド１０のビーム形状センサでそれぞれ個別に計測することが可能である。したがって、仮に光ファイバ３１、３２、３３に何らかの理由で（例えば、施工環境周辺の構造物に光ファイバが引っかかる等して）大きい曲げ、捩れが生じた場合に、何れの光ファイバで生じた事象か特定することが可能である。
【００６２】
また、複数の中継器に開口率調整機構を搭載したことにより、何れかの開口率調整機構が故障した場合も、他の開口率調整機構が機能しており、開口率の変化が機能している開口率調整機構で補正可能な範囲内であれば、システムとしては機能が損なわれることなく施工を継続することが可能である。
【００６３】
また、全ての中継器に開口率調整機構を備える必要はなく、例えば実施工環境において比較的作業員が到達しやすくメンテナンスや交換が容易な位置に配置される中継器のみに開口率調整機構を搭載する等としてもよい。
【００６４】
なお、本実施形態においては、光ファイバ３２の取付角度θ２を求めるにあたり、こりメートレンズ２２ａ、集光レンズ２４ａ、ビーム形状センサ用集光レンズ２８ａそれぞれのレンズに焦点距離ｆ１が等しいものを用いることが望ましい。このような構成でビーム形状センサ用集光レンズ２８ａとビーム形状センサ２９ａの距離を２×ｆ１とすることより、レーザ光Ｌ１０の広がり角とレーザビームＬ１３の集光角度はほぼ等しくなる。また、レーザ光Ｌ１１の径とビーム形状センサ２９ａに検出されるレーザ光Ｌ１５の径もほぼ等しくなるため、計算機４での計算処理が簡単になる。
（第３の実施形態）
【００６５】
本発明の第３の実施形態について、図面を用いて以下説明する。なお、第１の実施形態と同じ構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。本実施形態においては、第１の実施形態で説明した溶接ヘッド１０に設置されたビーム形状センサ１５の変形例について説明する。
【００６６】
図７を用いて、本実施形態による溶接ヘッド１０ｂについて説明する。溶接ヘッド１０Ｂ内には、出射端２１ｂと溶接ヘッドコリメートレンズ１２の間に溶接ヘッドアパーチャ４０が設置され、溶接ヘッドアパーチャ４０および溶接ヘッドコリメートレンズ１２から反射するレーザ光を受光する検出用光ファイバ４１の一端が接続されている。検出用光ファイバ４１の他端は、溶接ヘッド１０ｂ内部で検出用光ファイバ４１に入射したレーザ光の強度を検出する検出器３Ｆ（図示せず）に接続される。
【００６７】
図中の角度θａは、出射端２１ｂから出射したビーム光Ｌ７のうち、溶接ヘッドアパーチャ４０を通過するビームの広がり角度である。つまり、レーザ光Ｌ７の広がり角度がθａよりも小さければ、レーザ光Ｌ７は全て溶接ヘッドアパーチャ４０を通過する。この場合、検出用光ファイバ４１には、溶接ヘッドコリメートレンズ１２の反射面Ｓ１からの反射光Ｐ１のみが入射する。
【００６８】
レーザ光Ｌ７の広がり角度が、図中のθｂで示すようにθａよりも大きい場合、レーザ光Ｌ７の一部は溶接ヘッドアパーチャ４０に照射される（図中のレーザ光Ｌ７’）。この場合、検出用光ファイバ４１には、溶接ヘッドコリメートレンズ１２の反射光Ｐ１と溶接ヘッドアパーチャ４０のＳ２に示す領域で反射した反射光Ｐ２が入射されることとなる。
【００６９】
このような構成によれば、レーザ光Ｌ７の開口率が大きくなるほど検出用光ファイバ４１に入射するレーザ光の強度が高くなるため、レーザ光Ｌ７の開口率を測定することが可能である。計算機４は、検出器３Ｆの検出結果に基づき、レーザ光Ｌ７の広がり角度がθａ以内となるように開口率調整機構２０のアクチュエータ２６の駆動量を計算する。
【００７０】
このように、溶接ヘッドアパーチャ４０と検出用光ファイバ４１を用いた構成により、第１の実施形態と同様の効果を奏することが可能である。
【００７１】
次に、本実施形態の第１変形例について、図８を用いて説明する。本変形例では、検出用光ファイバ１に代えてフォトセンサ４２を備え、溶接ヘッドコリメートレンズ１２及び溶接ヘッドアパーチャ４０で反射するレーザ光を検出する構成としたものである。
【００７２】
本変形例は、第３の実施形態と同様に、フォトセンサ４２で検出されるレーザ光のデータによってレーザ光Ｌ７の開口率を求め、これに基づいて開口率調整機構２０を駆動させるものである。
【００７３】
次に、本実施形態の第２変形例について、図９を用いて説明する。本変形例では。検出用光ファイバ４１の代わりに、溶接ヘッドアパーチャ４０の温度を計測する温度センサ４３を備え、溶接ヘッドアパーチャ４０に当たるレーザビームＬ７’の熱量を検出する構成としたものである。
【００７４】
図中のθｂが大きくなるほど溶接ヘッドアパーチャに照射されるエネルギが増加して高温になるため、温度センサ４３の検出結果に基づいて開口率調整機構２０を制御し、レーザ光Ｌ７の開口率を所定の範囲に維持することが可能である。
【００７５】
次に、本実施形態の第３変形例について、図１０を用いて説明する。本変形例では、第２変形例で説明した温度センサ４３に加え、溶接ヘッドアパーチャ４０を開閉するアパーチャ開閉機構４４を備えたものである。本変形例では溶接ヘッドアパーチャ４０の開度が可変であるが、便宜上、溶接ヘッドアパーチャ４０の初期位置が第１、第２変形例と同じ開度であるものとして説明する。
【００７６】
温度センサ４３により温度上昇を検出した場合（すなわち、レーザ光Ｌ７の一部が溶接ヘッドアパーチャ４０に照射された場合）は、アパーチャ開閉機構４４により溶接ヘッドアパーチャ４０を徐々に開いて、元の温度に戻る位置を求める（レーザビームＬ７が溶接ヘッドアパーチャ４０に当たらない位置）。また、溶接ヘッドアパーチャ４０の温度上昇が無い場合は、溶接ヘッドアパーチャ４０を徐々に閉じて、温度上昇を開始する位置を求める。そして求めた溶接ヘッドアパーチャ４０の開閉位置から、第２の光ファイバ開口率を求める。そしてレーザビームＬ７が溶接ヘッドアパーチャ４０に当たらないように中継器にある開口率調整機構を制御する。
【００７７】
以上説明した第３の実施形態の各変形例によれば、第２の実施形態と同様の効果を奏する。
（第４の実施形態）
【００７８】
本発明の第４の実施形態について、図面を用いて以下説明する。なお、第２の実施形態と同じ構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。また、レーザ光伝送システムの一部は省略して図示する。本実施形態においては、第２の実施形態で説明した中継器１０２ａの別の構成例について説明する。
【００７９】
図１１は、本実施形態による中継器１０２ａの概要を示すブロック図である。本実施形態では、サンプリングミラー２３ａの後方に、さらにサンプリングミラー５１が配置されている。サンプリングミラー５１は、サンプリングミラー２３ａを透過したレーザ光Ｌ１４の一部（例えば１％程度）を反射し、残りを透過させる。
【００８０】
サンプリングミラー５１を透過したレーザ光Ｌ１５は、サンプリング用集光レンズ５２ａに入射する。サンプリング用集光レンズ５２ａで集光されたレーザ光Ｌ１６は、サンプリング用アパーチャ５３を通過し、フォトディテクタ５４ａに入射する。サンプリング用アパーチャ５３は、レーザビームＬ１６の許容ビーム径以下の範囲のみ透過させ、許容ビーム径以上の範囲を遮蔽する。
【００８１】
サンプリングミラー５１で反射されたレーザ光Ｌ１７は、サンプリング用集光レンズ５２ｂに入射する。サンプリング用集光レンズ５２ａで集光されたレーザ光Ｌ１８は、フォトディテクタ５４ｂに入射する。フォトディテクタ５４ａ，５４ｂはそれぞれ、入射するレーザ光Ｌ１６，Ｌ１８のエネルギを計測する。
【００８２】
本実施形態における開口率補正処理の手順について、以下説明する。フォトディテクタ５４ａ，５４ｂで計測したエネルギのデータＥａ、Ｅｂを、検出器３ｂで検出して計算機４に取り込み、データＥａ、Ｅｂからアクチュエータ２６の回転角度θ２を算出する。
【００８３】
Ｅａは、光ファイバ３１の開口率がサンプリング用アパーチャ５３の許容範囲より大きいレーザビームがカットされた受光エネルギである。したがって、データＥａは、レーザ光Ｌ１８の径が大きいほど（＝光ファイバ３１から出射されるレーザ光Ｌ１０の開口率が大きいほど）小さくなる。データＥｂは、光ファイバ３１からのレーザ光のエネルギに比例し、開口率には依存しない。したがって、データＥａとデータＥｂの比を求めることで、第１の光ファイバからのレーザビームの開口率が許容開口率に対してどの程度大きいかを検出することができる。
【００８４】
具体的には、レーザ光Ｌ１８の径がサンプリング用アパーチャ５３の許容径以下の状態だと、ＥａとＥｂの比は一定となり、単純にサンプリングミラー５１の透過率、反射率に依存する。レーザ光Ｌ１８の径がサンプリング用アパーチャ５３の許容径を越えると、Ｅａのエネルギがカットされるため、レーザ光Ｌ１８の径が許容径以下の場合と比較してＥａの比が小さくなる。さらに、レーザ光Ｌ１８の径が大きくなるほどカットされるエネルギが大きくなり、Ｅａの比が小さくなる。したがって、ＥａとＥｂの比からレーザ光Ｌ１０の開口率を求めることができる。
【００８５】
次に、計算機４は算出したＥａとＥｂの比から事前に求めた開口率補正量とアクチュエータ２６の回転角度特性から回転制御角度θ２を求め、ドライバ５に送信する。回転角度θ２は以下の式（２）により求める。
【００８６】
θ２＝Ｋ（Ｅａ／Ｅｂ）＋ｃ ・・・（２）
なお、Ｋは比例定数、ｃは切片である。
【００８７】
ドライバ５はθ２に基づいてアクチュエータ２６の制御信号を生成し、アクチュエータ２６の駆動制御を行う。
【００８８】
以上の手順により、中継器において入射側の光ファイバからの開口率が変動して許容値を逸脱した場合に、フォトディテクタの検出結果を用いて出射側の光ファイバの取付角度を制御して開口率を補正することが可能となり、第２の実施形態と同様の効果を奏する。また、ＥａとＥｂの比から開口率変動を用いることから、発振器の出力変動によってフォトディテクタの検出結果が変化しても影響を受けない。
（第５の実施形態）効率田バーより、中継器において第１のコントローラ）（回転機構）
【００８９】
本発明の第５の実施形態について、図面を用いて以下説明する。なお、第２の実施形態と同じ構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。本実施形態は、開口率補正処理を、レーザ光の集光レンズへの入射位置を移動させるレーザ光入射位置移動機構により行うものである。
【００９０】
図１２は、本実施形態による中継器１０２ａの概略を示すブロック図である。本実施形態では、光ファイバ３２の入射端近傍と集光レンズ２４を一体化してレーザ光Ｌ１２の光軸と垂直方向に移動可能に構成している。光ファイバ３１の開口率の変動を、ビーム形状センサ２９ａを用いて光ファイバ３１からのレーザ光Ｌ１５のビーム径を計測することで検出し、この検出結果に基づいて光ファイバ３２の入射端近傍および集光レンズ２４を移動させることで開口率の補正を行う。
【００９１】
光ファイバ３２の入射端近傍、集光レンズ２４のそれぞれが集光レンズホルダ６１に取り付けられて一体とされている。この集光レンズホルダ６１をレーザ光Ｌ１２の光軸と垂直方向に移動させる駆動機構は、アクチュエータ（シフト機構）（ここではＤＣサーボモータ）６２、ボールネジ６３、リニアガイド６４から構成される。これらの一連の構成要素により、レーザ光入射位置移動機構が形成される。なお、図１２においては、集光レンズホルダ６１を紙面左方向に移動させた状態を示している。
【００９２】
集光レンズホルダ６１が移動すると、集光レンズ２４上でレーザ光Ｌ１２が入射する位置が変化する。すると、実質的に集光レンズ２４で集光されたレーザ光Ｌ１３の光軸が傾く。図１２においては、レーザ光Ｌ１３の光軸Ａ１がθ２傾いた状態を示している。このように、集光レンズホルダ６１を移動させることで、光ファイバ３２の入射端に対して入射するレーザ光の光軸を傾け、開口率を補正することが可能である。
【００９３】
以上説明したように、本実施形態によれば、光ファイバの入射端近傍と集光レンズを一体として構成し、集光レンズに入射するレーザ光の光軸に対して垂直方向に移動可能な構成とすることで、第２の実施形態と同様の効果を奏する。
【００９４】
本実施形態の変形例について、図１３を用いて説明する。本変形例では、サンプリングミラー２３ａをサンプリングミラーホルダ６５内に配置し、サンプリングミラーホルダ６５をアクチュエータ（シフト機構）（ここではＤＣサーボモータ）６６、ボールネジ６７、リニアガイド６８によりレーザ光Ｌ１２の光軸と垂直方向に移動可能な構成としている。
【００９５】
このような構成でも集光レンズ２４上でレーザ光Ｌ１２が入射する位置を変化させることができ、開口率を補正することが可能である。
（第６の実施形態）効率田バーより、中継器において第１のコントローラ）（回転機構）
【００９６】
本発明の第６の実施形態について、図面を用いて以下説明する。なお、第２の実施形態と同じ構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。本実施形態は、開口率補正処理を、第５の実施形態とは異なる構成のレーザ光入射位置移動機構により行うものである。
【００９７】
図１４は、本実施形態による中継器１０２ａの概略を示すブロック図である。本実施形態では、サンプリングミラー２３ａと集光レンズ２４の間、つまりレーザ光Ｌ１２の光路上に、屈折レンズホルダ７１と、これを回転させるアクチュエータ（シフト機構）７２（ここではＤＣサーボモータを用いている）を備える。屈折レンズホルダ７１は、回転軸７３を中心に、アクチュエータ７２によって回転させられる。これらの一連の構成要素により、レーザ光入射位置移動機構が形成される。
【００９８】
レーザ光Ｌ１２は、その光軸に対して傾けられた屈折レンズホルダ７１内の屈折レンズに入射すると、屈折レンズの厚さと傾きに応じて、光軸に垂直な方向にずれて出射される（レーザ光Ｌ１２’）。すなわち、アクチュエータ７２の制御によって集光レンズ２４上でレーザ光Ｌ１２’が入射する位置を変化させることができ、開口率を補正することが可能である。
【００９９】
以上説明したように、本実施形態の中継器１０２ａによれば第２の実施形態と同様の効果を奏する。
（第７の実施形態）効率田バーより、中継器において第１のコントローラ）（回転機構）
【０１００】
本発明の第７の実施形態について、図面を用いて以下説明する。なお、第２の実施形態と同じ構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【０１０１】
図１５は、本実施形態による中継器１０２ａの概略を示す図である。本実施形態では、サンプリングミラー２３ａを透過したレーザ光Ｌ１４は、第４の実施形態と同様に、サンプリング用集光レンズ５２ａによって集光され、サンプリング用アパーチャ５３を通過してフォトディテクタ５４ａに入射する。また、サンプリング用アパーチャ５３は開閉機構８１を備えている。
【０１０２】
本実施形態では、レーザビームＬ１０の開口率をフォトディテクタ５４ａとサンプリング用アパーチャ５３の開口径から求め、アクチュエータ２６を駆動して開口率を補正するものである。
【０１０３】
開閉機構８１によりサンプリング用アパーチャ５３の開口径を変化させ、開口径がレーザ光Ｌ１８の径以下になるとフォトディテクタ５４ａで検出されるエネルギが小さくなる。開口径がレーザ光Ｌ１８の径以上の場合は、フォトディテクタ５４ａで検出されるエネルギは一定である。このことから、サンプリング用アパーチャ５３の開口系とフォトディテクタ５４ａの出力の関係から、レーザ光Ｌ１８の径求めることができる。このレーザ光Ｌ１８の径に基づいてアクチュエータ２６を駆動し、開口率を補正することが可能である。
【０１０４】
以上説明したように、本実施形態の中継器１０２ａによれば第２の実施形態と同様の効果を奏する。
（第８の実施形態）
【０１０５】
本発明の第８の実施形態について、図面を用いて以下説明する。なお、第２の実施形態と同じ構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【０１０６】
図１６は、本実施形態による中継器１０２ａの概略を示す図である。本実施形態では、中継器１０２ａ内にレーザ光を伝送する光ファイバ３１の出射端近傍を回転させることで開口率補正を行う。
【０１０７】
光ファイバ３１の出射端とコリメートレンズ２２の焦点が一致する位置に光ファイバ３１出射端近傍の回転中心あり、その回転中心軸は光ファイバ３１の出射端の法線およびコリメートレンズ２２の中心軸の両方に対して垂直となるよう配置されている。この回転中心を軸として、アクチュエータ９１（ここではＤＣサーボモータ）が光ファイバ３１の出射端近傍を回転させる。
【０１０８】
光ファイバ３１の出射端近傍が回転すると、コリメートレンズ２２上におけるレーザ光Ｌ１０の入射位置が変化する。この結果、最終的に集光レンズ２４上におけるレーザ光Ｌ１２の入射位置が変化するため、第５の実施形態と同様に、開口率を補正することが可能である。
【０１０９】
なお、ビーム形状センサ２９ａに投影されるビーム径はファイバ３１の回転によって変化するため、厳密に開口率を測定するためにはＬ１５がビームセンサ２９ａに入射する角度で補正する必要がある。この場合アクチュエータ９１の図示しない回転角度センサをもちいる。またはビーム形状センサ２９ａとしてのＣＣＤ素子の画像処理によって計測できるＬ１５のエネルギ分布の中心位置とレンズ２８ａの焦点距離ｆ１からもビームセンサ２９ａへのＬ１５の入射角度を算出しても良い。
【０１１０】
以上説明したように、本実施形態の中継器１０２ａによれば第２の実施形態と同様の効果を奏する。
（第９の実施形態）
【０１１１】
本発明の第９の実施形態について、図面を用いて以下説明する。なお、第２の実施形態と同じ構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。図１７は、本実施形態によるレーザ光伝送システム１００ｃの概要を示すブロック図である。レーザ光伝送システム１００ｃは、レーザ光を１台の中継器で２本の光ファイバに分岐する構成となっている。
【０１１２】
本実施例では、光ファイバ９２により中継器１０２ｃへ伝送されるレーザ光を、中継器１０２ｃの内部の分岐光学系により分岐させて開口率調整機構２０ａ，２０ｂに導入する。開口率調整機構２０ａ，２０ｂに導入されたレーザ光はそれぞれ光ファイバ９３，９４に入射され、溶接ヘッド１０ａ，１０ｂに伝送される。溶接ヘッド１０ａ，１０ｂはそれぞれ作業対象１０１ａ，１０１ｂに対して溶接施工を行う。
【０１１３】
開口率調整機構２０ａ，２０ｂはそれぞれ独立に動作し、光ファイバ９３，９４に入射するレーザ光の開口率を調整することにより、溶接ヘッド１０ａ，溶接ヘッド１０ｂの施工条件が異なっていてもそれぞれに適した開口率でレーザビームを供給することができる。
【０１１４】
上述の分岐光学系の構成例を図１８に示す。光ファイバ９２から出射したレーザ光Ｌ２０は、コリメートレンズ９５によって平行なレーザ光Ｌ２１とされる。レーザ光Ｌ２１は部分反射ミラー９６に入射し、エネルギの一部（例えば５０％程度）が反射され（レーザ光Ｌ２２）、残りのエネルギは透過する（レーザ光Ｌ２３）。レーザ光Ｌ２２は開口率調整機構２０ｂに導かれる。レーザ光Ｌ２３は全反射ミラー９７で反射されて開口率調整機構２０ａに導かれる。
【０１１５】
ここで、全反射ミラー９７を、レーザ光の一部（例えば１％程度）を透過するサンプリングミラーに変更し、透過したレーザ光の径をフォトディテクタ等の計測手段で計測して検出器に信号を送信する構成とすれば、開口率調整機構２０ａ，２０ｂ内にレーザ光径の計測手段を省略することが可能である。
【０１１６】
なお、本実施形態では２つの溶接ヘッドにレーザレーザビームを供給する例を説明したが、３系統以上の溶接ヘッドに対してレーザビームを供給する構成とすることも当然可能である。
【０１１７】
以上の構成によれば、複数の溶接ヘッドに対して安定した開口率のレーザビームを供給することが可能である、また、各溶接ヘッドの施工条件が異なる場合でも開口率調整機構の制御により、各溶接ヘッドの施工条件を満たすことが可能である。
（第１０の実施形態）
【０１１８】
本発明の第１０の実施形態について、図面を用いて以下説明する。なお、第２の実施形態と同じ構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。図１９（ａ）は本実施形態によるレーザ光伝送システム１００ｄの概要を示すブロック図、（ｂ）は溶接ヘッド１０近傍の要部拡大図である。
【０１１９】
本実施形態では、平面でない（数ｍｍ程度の起伏の存在する面）作業対象に対して、小型で簡易な溶接ヘッドによる溶接施工を可能とする構成の実施例である。
【０１２０】
溶接ヘッド１０は走査方向の前方側（図２０（ｂ）の紙面右方向）に、作業対象１０１との距離を計測する距離センサ１１１を備えている。溶接ヘッド１０は、アクセス装置１１２によって移動され、作業対象１０１上を走査する。アクセス装置１１２はケーブルを介してアクセス装置制御盤１１３に接続され、走査動作を駆動制御される。また、距離センサ１１は、ケーブルを介して距離センサアンプ１１４に接続され、計測信号を距離センサアンプ１１４に送信する。距離センサアンプ１１４は、距離センサ１１１から受信した信号に基づいて距離データを求め、計算機４に送信する。
【０１２１】
レーザ発振器１から光ファイバ３１、光ファイバ３２、および開口率調整機構を内蔵した中継器１０２を介して、溶接ヘッド１０へレーザ光が伝送される。
【０１２２】
従来は、作業対象１０１の作業対象面が平面で無い場合、溶接ヘッド１０をアクセス装置１１２で作業対象面の垂直方向への移動を制御することで施工可能条件を満たすようにし、走査を行っていた。
【０１２３】
本実施形態では、溶接ヘッド１０を作業対象面の垂直方向の駆動制御を行うことなく、レーザ光の焦点距離を制御することで施工可能条件を満たすことが可能である。以下に処理手順を述べる。
【０１２４】
距離センサ１１１により、平面でない施工材料までの距離を検出し、距離センサアンプ３０３を介して、計算機４に送信する。計算機は正規距離データ（既定値として設定されている焦点距離における施工条件を満足する距離）と距離センサで検出した距離との差分を求める。
【０１２５】
次に、計算機４は前記差分値に対する焦点距離を求め、焦点距離に対する中継器での開口率調整用制御データを求める。次に求めた開口率調整用制御データをドライバ５へ送信する。
【０１２６】
ドライバ５は、受信した開口率調整用制御データから距離センサが検出した位置に移動したときに、計算機４で求めた焦点距離になるように中継器に内蔵する開口率調整機構の駆動制御を行う。
【０１２７】
以上のように、溶接ヘッドと作業対象面の距離が変化しても、開口率調整機構２０の駆動制御により施工可能条件を維持したまま走査することが可能である。すなわち、作業対象面の形状により溶接ヘッドと作業対象面の距離が変化すると、施工条件を満たすＮＡも変化後の距離に応じて変化する。この当該変化後のＮＡを満たすように開口率調整機構２０の駆動制御することで、溶接ヘッドと作業対称面の距離を調整することなく施工条件を満たすことが可能である。
【０１２８】
なお、当然ながら本実施形態の開口率調整機構は上述した実施形態の何れの構成を用いてもよい。
（その他の実施形態）
【０１２９】
上述した各実施形態では、主に光ファイバの曲げ等によりエンドエフェクタから出射されるＮＡに影響を与える場合でも所望のＮＡを維持できるものとして説明したが、本発明によるＮＡ調整により得られる効果はこれに限られず、作業プロセスに応じて様々な応用が可能である。
【０１３０】
例えば水中でのき裂封止溶接として、溶接プロセスの前に溶接時よりもスポット径が大きくエネルギ密度が低いレーザ光でき裂周辺を加熱し、き裂内部の水を蒸発させる加熱プロセスを行うものが知られている。このプロセスにおいて本発明による開口率調整機構を用い、ＮＡを大きくして加熱プロセスを行い、加熱プロセスよりも小さいＮＡで溶接プロセスを行う、といったことが可能である。この場合、発振器や中継器の構成で加熱プロセスと溶接プロセスを切り替えることが可能であり、溶接ヘッドにはプロセス切替のための特別な構成が不要となるため、溶接ヘッドの小型化に寄与する。
【０１３１】
なお、第１０の実施形態や上述したき裂封止溶接への適用例のように光ファイバの曲げ等とは別の要因によりＮＡを制御する場合は、光ファイバの曲げ等の影響が無いもしくは考慮しなくてよいほど小さい場合は、各実施形態で説明したレーザ光径を計測するための構成を省略してもよい。
【０１３２】
以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、各実施形態の組合せ、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【０１３３】
例えば、各実施の形態では施工プロセスをレーザ溶接として説明したが、例えばレーザピーニングやレーザ切断等の種々のプロセスに適用することが可能である。
【０１３４】
また、第１実施形態の開口率調整機構２０と第２実施形態の中継器１０２ａ、１０２ｂを併用することも当然可能である。
【０１３５】
また、第３の実施形態の第１、第２変形例等にアパーチャ開閉機構４４を設けてもよく、また第３変形例で温度センサに代えてレーザ光Ｌ７’を検知する光センサをアパーチャ４０に設けてもよい。
【０１３６】
また、各実施の形態では、開口率調整機構２０内でレーザ光の経路を９０度曲げているものとして説明したが、当然ながらこの角度は任意に設定することができ、また経路を曲げず中継する構成であってもよい。
【０１３７】
さらに、第３から第８の実施形態は中継器の構成として説明したが、レーザ発振器１に接続される開口率調整機構２０に適用することも当然可能である。
【符号の説明】
【０１３８】
１００，１００ａ，１００ｂ，１００ｃ，１００ｄ レーザ光伝送システム
１０１，１０１ａ，１０１ｂ 作業対象
１０２，１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃ 中継器
１ レーザ発振器
２ ケーシング
３，３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ，３ｅ，３ｇ，３ｆ，３ｈ 検出器
４ 計算機
５ ドライバ
１０ 溶接ヘッド
１１ ファイバコネクタ
１２ 溶接ヘッドコリメートレンズ
１３ 溶接ヘッド集光レンズ
１４ サンプリングミラー
１５ ビーム形状センサ
１６ 溶接ノズル
１７ カバーガスホース
２０，２０ａ，２０ｂ 開口率調整機構
２１ 光ファイバ
２１ａ 入射端
２１ｂ 出射端
２２ コリメートレンズ
２３ ミラー
２３ａ サンプリングミラー
２４ 集光レンズ
２５ ファイバコネクタ
２６ アクチュエータ
２８ａ ビーム形状センサ用集光レンズ
２９ａ ビーム形状センサ
３１、３２、３３ 光ファイバ
４０ 溶接ヘッドアパーチャ
４１ 検出用光ファイバ
４２ フォトセンサ
４３ 温度センサ
４４ アパーチャ開閉機構
５１ サンプリングミラー
５２ａ、５２ｂ サンプリング用集光レンズ
５３ サンプリング用アパーチャ
５４ａ、５４ｂ フォトディテクタ
６１ 集光レンズホルダ
６２ アクチュエータ
６３ ボールネジ
６４ リニアガイド
６５ サンプリングミラーホルダ
６６ アクチュエータ
６７ ボールネジ
６８ リニアガイド
７１ 屈折レンズホルダ
７２ アクチュエータ
７３ 回転軸
８１ 開閉機構
９１ アクチュエータ
９２、９３、９４ 光ファイバ
９５ コリメートレンズ
９６ 部分反射ミラー
９７ 全反射ミラー
１１１ 距離センサ
１１２ アクセス装置
１１３ アクセス装置制御盤
１１４ 距離センサアンプ
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、作業対象物へレーザ光を伝送するレーザ光伝送装置、レーザ光伝送システム、レーザ光伝送方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザ光をエネルギ源とする溶接、切断、超音波検査、ピーニング等のレーザ施工プロセスにおいて、エネルギを作業対象物まで伝送する手段の１つとして、光ファイバを用いたファイバ伝送システムが用いられている（例えば、特許文献１参照。）。一般的に前述のようなレーザ施工プロセスを実施する場合、レーザ光源としてのレーザ発振器を施工箇所から離れた場所に設置し、施工ヘッドのエンドエフェクタ（施工ヘッド）にレーザ光を伝送し、エンドエフェクタから照射されるレーザ光を走査させて行う。
【０００３】
前述の光ファイバ伝送システムは、伝送に必要なスペースが小さく、導光路がフレキシブルであることから経路設定が容易であるという利点がある。また、伝送経路内の調整の必要な光学系がないためファイバ伝送システムは安全かつ容易にエネルギを伝送することができる。このため、近年ではファイバ伝送システムが広く利用されている。
【０００４】
特に、光ファイバによる伝送距離が長い場合や、高頻度に装置交換が行われて交換作業による光ファイバの損傷リスクが高い場合等では、複数の光ファイバを光ファイバ中継器により接続してレーザ光の伝送を行っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−２５４００６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述した光ファイバを用いた伝送システムでは、光ファイバの曲げ、捻り、加重などにより、光ファイバ出口からのレーザ開口率（以下、ＮＡと呼称する）が変化する。レーザ施工プロセスでは、エンドエフェクタから施工対象に照射されるレーザ光のスポット径が変化すると、レーザのエネルギ密度が変化するため施工結果に大きく影響を及ぼす。例えば、レーザ溶接の場合、搭載される光学系のバックフォーカスによってエンドエフェクタ（溶接ヘッド）と施工対象との相対位置を決定し、施工を行う。このとき、光ファイバ出口でのＮＡが一定であれば、スポット径が施工可能な範囲となるエンドエフェクタの位置（エンドエフェクタからの距離）は変動しないため、エンドエフェクタに求められる位置決め精度は高くない。しかし、ＮＡが変化すると、スポット径が施工可能な範囲となるエンドエフェクタ位置が変化する。したがって、エンドエフェクタに高精度な位置決めが求められる。さらに、ＮＡ変動幅が大きければ、それに応じてエンドエフェクタを頻繁に移動させる必要がある。このため、エンドエフェクタの駆動機構の大型化、複雑化が必要となり得る。
【０００７】
また、ＮＡの変化がレーザ光を伝送する光学系の設計の許容範囲よりも大きくなると、エネルギ伝送効率の低下にもつながり、光ファイバや光学系の損傷等も発生し得る。
【０００８】
上述した課題を鑑み、本発明では、施工対象に照射されるレーザ光が光ファイバから出射されるときのＮＡを所望の範囲に維持することができるレーザ光伝送装置、レーザ光伝送システム、レーザ光伝送方法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】
【０００９】
上記目的を達成するため、本発明の実施形態によるレーザ光伝送装置は、入射端にレーザ光が入射し、出射端から前記レーザ光が出射される光ファイバと、レーザ光の光源と前記光ファイバの前記入射端を光学的に接続し、前記入射端に前記レーザ光を入射する入射光学系と、前記入射光学系から前記入射端に入射される前記レーザ光の光軸と前記入射端面との角度を変化させる入射角度調整手段と、を備えることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明の実施形態によるレーザ光伝送システムは、レーザ光の光源と、入射端にレーザ光が入射し、出射端から前記レーザ光が出射される光ファイバと、レーザ光の光源と前記光ファイバの前記入射端を光学的に接続し、前記入射端に前記レーザ光を入射する入射光学系と、前記入射光学系から前記入射端に入射される前記レーザ光の光軸と前記入射端面との角度を変化させる入射角度調整手段と、前記出射端と接続され、前記出射端から出射された前記レーザ光を作業対象物に照射する照射ヘッドと、を備えることを特徴とする。
【００１１】
さらに、本発明の実施形態によるレーザ光照射方法は、光源から出射したレーザ光を集光して光ファイバの入射端に入射させる入射ステップと、前記光ファイバの出射端から出射したレーザ光を作業対象物に照射する照射ステップを備えるレーザ光照射方法であって、前記集光されたレーザ光の光軸と前記入射端の角度を変更し、前記出射端から出射される前記レーザ光の開口率を調整する開口率調整ステップをさらに備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の各実施形態に係るレーザ光伝送システム、レーザ伝送光ファイバ中継器、レーザ光伝送方法によれば、施工対象に照射されるレーザ光の光ファイバから出射されるときのＮＡを所望の範囲に調整することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】第１の実施形態によるレーザ光伝送システムの、主にエンドエフェクタ部の概要を示す図。
【図２】（ａ）は第1の実施形態によるレーザ光伝送システムの全体構成の概要を示すブロック図、（ｂ）は開口率調整機構の構成を示す図、（ｃ）は溶接ヘッドの概要を示す縦断面図。
【図３】（ａ）は光ファイバの入射端近傍を傾けずにレーザ光を入射する状態を示す要部拡大図、（ｂ）は光ファイバの入射端近傍をθ２傾けてレーザ光を入射する状態を示す要部拡大図。
【図４】（ａ）、（ｂ）はそれぞれ、光ファイバの入射端近傍をθ２’、θ２’’傾けてレーザ光を入射する状態を示す要部拡大図、（ｃ）は光ファイバの入射端近傍を傾けることで出射されるレーザ光のＮＡの変化を示す要部拡大図。
【図５】（ａ）はレーザ光の径ｄと光ファイバ入射端近傍の角度θの関係を示すグラフ、（ｂ）はＮＡと角度θの関係を示すグラフ。
【図６】（ａ）は第２の実施形態によるレーザ光伝送システムの概要を示すブロック図、（ｂ）は中継器の構成を示す図。
【図７】第３の実施形態による溶接ヘッドの概要を示す縦断面図。
【図８】第３の実施形態の第1変形例による溶接ヘッドの概要を示す縦断面図。
【図９】第３の実施形態の第２変形例による溶接ヘッドの概要を示す縦断面図。
【図１０】第３の実施形態の第３変形例による溶接ヘッドの概要を示す縦断面図。
【図１１】第４の実施形態による中継器の概要を示す図。
【図１２】第５の実施形態による中継器の概要を示す図。
【図１３】第５の実施形態の変形例による中継器の概要を示す図。
【図１４】第６の実施形態による中継器の概要を示す図。
【図１５】第７の実施形態による中継器の概要を示す図。
【図１６】第８の実施形態による中継器の概要を示す図。
【図１７】第９の実施形態によるレーザ光伝送システムの概要を示すブロック図。
【図１８】第９の実施形態による中継器の、分岐光学系の概要を示す図。
【図１９】（ａ）は第１０の実施形態によるレーザ光伝送システムの概要を示すブロック図、（ｂ）は溶接ヘッド近傍の要部拡大図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。
（第１の実施形態）
【００１５】
図１は、本実施形態によるレーザ光伝送システムの、主にエンドエフェクタ部の概要を示すブロック図である。図１を用いて、施工対象に照射されるレーザ光の、光ファイバから出射されるときのＮＡについて説明する。なお、図１ではＮＡの説明を簡潔にするべく、一部構成を省略して図示している。また、各実施形態においては、施工プロセスをレーザ溶接として説明する。
【００１６】
内部に光源であるレーザ発振器１および開口率調整機構２０が設置されたケーシング２と、エンドエフェクタである溶接ヘッド１０が、光ファイバ２１を介して接続されている。光ファイバ２１の各端は、それぞれファイバコネクタ１１によってケーシング２、溶接ヘッド１０に精密に位置決め固定されている。
【００１７】
溶接ヘッド１０の内部には、溶接ヘッドコリメートレンズ１２、溶接ヘッド集光レンズ１３が配置されている。また、溶接ヘッド１０の溶接ノズル１６には、施工箇所近傍にカバーガスを供給するためのカバーガスホース１７が接続されている。
【００１８】
レーザ発振器１から出射したレーザは、開口率調整機構２０を経由して入射端２１ａから光ファイバ２１に入射し、溶接ヘッド１０内の出射端２１ｂから出射される（レーザ光Ｌ７）。そして、溶接ヘッドコリメートレンズ１２によって平行なレーザ光Ｌ８とされ、さらに溶接ヘッド集光レンズ１３によって集光され（レーザ光Ｌ９）、施工対象へ照射される。
【００１９】
以下、出射端２１ｂから出射するレーザのＮＡの変化について、図１を用いて説明する。出射端２１ｂから出射するレーザのＮＡは、光ファイバ２１に取り扱いや敷設状態による曲げ、捩れ、圧縮等が加わることにより変化する。ＮＡがθＡからθＢに変化した場合、レーザがＬ８からＬ８’に変化して、レーザ光径が大きくなる。すると、施工可能なスポット径が図１に示すＤ１以上Ｄ２以下である場合、溶接ヘッド集光レンズ１３の焦点位置よりも施工対象側の施工可能なレーザ光径となる範囲（以下、許容施工距離範囲と記述する。）は、θＡ→θＢの変化にともなってＺＡ→ＺＢに変化する。通常、施工対象の位置が許容施工距離範囲の中心となるように溶接ヘッド集光レンズ１３から施工対象までの距離（以下、施工距離と記述する。）を制御する。したがって、ＮＡがθＡからθＢに変化すると、施工距離はＷＤＡからＷＤＢに変化する。これに合わせて溶接ヘッド１０の位置を変えなければならない。
【００２０】
また、ＮＡが大きくなったことにより、許容施工距離範囲はＺＡからＺＢに変化して短くなっていることが分かる。すなわち、溶接ヘッド１０の位置ずれによる施工距離の誤差許容範囲が少なくなるため、施工条件が厳しくなり、より高い位置決め精度が必要となる。
【００２１】
次に、図２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）を用いて、本実施例によるレーザ伝送システムの構成について説明する。図２（ａ）は本実施形態によるレーザ光伝送システムの全体構成の概要を示すブロック図、図２（ｂ）は開口率調整機構の詳細を示すブロック図、図２（ｃ）は溶接ヘッド１０の概要を示す断面図である。なお、各実施形態において、信号伝送のためのケーブルは破線で図示する。
【００２２】
まず、レーザ光伝送システム１００ａの概要について説明する。レーザ光伝送システム１００ａは、レーザ発振器１が出力するレーザ光Ｌ１を開口率調整機構２０、光ファイバ２１を経由して溶接ヘッド１０に伝送し、作業対象１０１にレーザ光を照射する。
【００２３】
開口率調整機構２０は、光ファイバ２１の出射端２１ｂ側でのレーザ光の開口率の補正を行なうものである。溶接ヘッド１０内には溶接ヘッド１０内でコリメートされたレーザ光の形状を計測するセンサが設けられている。
【００２４】
検出器３がこのセンサの検出信号を収集してレーザ光のビーム径を検出し、計算機４に送信する。計算機４は検出器３から受けた信号に基づいて、光ファイバ２１の状態（曲げ等）による開口率の変動量を計算する。さらに、開口率変動量の計算結果に基づいて開口率調整機構２０の駆動量を決定し、開口率調整機構のドライバ５に送信する。ドライバ５は計算機４から受信した開口率調整機構２０の駆動量を制御信号に変換し、開口率調整機構２０に送信する。開口率調整機構２０は、ドライバ５から受信した制御信号に従い開口率補正処理を行う。
【００２５】
次に、図２（ｂ）を用いて、開口率調整機構２０の構成および開口率調整機構２０による開口率補正処理について説明する。開口率調整機構２０には、レーザ発振器１から入射したレーザ光Ｌ１を平行化してレーザ光Ｌ２とするコリメートレンズ２２、レーザ光Ｌ２を反射して方向を変える（レーザ光Ｌ３）ミラー２３、レーザ光Ｌ３を集光させ（レーザ光Ｌ４）、開口率調整機構２０に接続された光ファイバ２１の入射端２１ａに入射させる集光レンズ２４が配置されている。光ファイバ２１は、ファイバコネクタ２５（円筒型棒端子）によって正確に位置固定されている。
【００２６】
さらに、ファイバコネクタ２５と光ファイバ２１は、アクチュエータ２６（例えば、ＤＣサーボモータ）によって入射端２１ａの位置を中心に回転可能に構成されている。このアクチュエータ２６はドライバ５に接続されており、ドライバ５からの制御信号に応じて駆動する。
【００２７】
次に、図２（ｃ）を用いて、溶接ヘッド１０の構成について説明する。溶接ヘッド１０には、ファイバコネクタ１１によって光ファイバ２１の出射端２１ｂ側が固定されている。出射端２１ｂから出射されたレーザ光Ｌ７は、溶接ヘッドコリメートレンズ１２によって平行なレーザ光Ｌ８とされる。このレーザ光Ｌ８は、溶接ヘッド集光レンズ１３によって集光され、作業対象１０１に照射される（レーザ光Ｌ９）。
【００２８】
溶接ヘッドコリメートレンズ１２と溶接ヘッド集光レンズ１３の間にはサンプリングミラー１４が設置されており、レーザ光Ｌ８の一部を反射（レーザ光Ｌ１０）する。レーザ光Ｌ１０は、溶接ヘッド内に設けられたビーム形状センサ１５（例えばＣＣＤ素子）に照射される。このビーム形状センサ１５は、上述の検出器３Ａに接続されたセンサである。
【００２９】
なお、溶接ヘッド１０に内蔵している光学系（溶接ヘッドコリメートレンズ１２、溶接ヘッド集光レンズ１３）は、溶接施工で作業対象１０１に設定した溶融エネルギが供給できるようにレーザ光の焦点径と距離を決定した上で製作・配置されている。
【００３０】
次に、開口率調整機構２０による開口率調整について、図３を用いて説明する。図３（ａ）（ｂ）はそれぞれ、光ファイバ２１へ入射するレーザ光の入射方法の一例を示す。図３（ａ）は、光ファイバ２１の入射端２１ａの面がレーザ光Ｌ４の光軸に垂直な状態を、（ｂ）は入射端２１ａの面が（ａ）よりもθ２傾いた状態を示している。
【００３１】
集光レンズ２４は、上述したようにレーザ光Ｌ３を集光して光ファイバ２１に入射させるもので、光ファイバに入射可能なＮＡを考慮し焦点距離ｆ１を選択してある。光ファイバ２１の入射端２１ａは、集光レンズ２４の焦点位置となるよう配置されている。
【００３２】
光ファイバ２１は、図３（ａ）、（ｂ）に示すように、アクチュエータ２６により入射端２１ａの位置を中心に回転可能である。光ファイバ２１から出射されるレーザ光Ｌ７の開口率は、光ファイバ２１へ入射するレーザ光の入射角度によって変化する。
【００３３】
この開口率変化について、図４、図５を用いて、光ファイバ１へレーザ光Ｌ４を入射する角度θ２と光ファイバ１が照射するレーザ光Ｌ７の開口率との関係を説明する。図４（ａ）、（ｂ）はそれぞれ、レーザ光Ｌ３の光軸に対して入射端２１ａの面を角度θ２’，θ２’’傾けた状態を示す入射端２１ａ近傍の要部拡大図、図４（ｃ）は図４（ａ）、（ｂ）に対応するＮＡを示す出射端２１ｂ近傍の要部拡大図である。
【００３４】
図５（ａ）は出射端２１ｂから所定距離離れた位置のレーザ光Ｌ７の径ｄ２と角度θの関係を示すグラフ、図５（ｂ）はＮＡと角度θの関係を示したグラフである。
【００３５】
光ファイバ２１から出射されるレーザ光Ｌ７の開口率調整は、図４（ａ）、（ｂ）に示すように、集光させたレーザ光Ｌ４を光ファイバ２１へ入射する角度をθ２’からθ２”へ傾けると、出射端２１ｂから出射されたレーザ光は図４（ｃ）に示すＬ７’からＬ７”へと変化し、レーザ光径がｄ２’からｄ２”へ変化する。
【００３６】
ここで、ＮＡを以下の式（１）で定義すると、θとＮＡの関係は図５（ｂ）に示すようになる。
【００３７】
ＮＡ（θ２’）＝ｓｉｎ｛（θ４＋θ２’）／２）｝ （１）
なお、θ４はレーザ光Ｌ４の開口率である。
【００３８】
このように、レーザ光のＮＡは入射端２１ａへ入射する角度θ２に応じて変化する。したがって、アクチュエータ２６の駆動により、レーザ光Ｌ７の開口率を変化させることが可能である。
【００３９】
次に、溶接ヘッド１０に備えるビーム形状センサ１５からのセンサ信号で、出射端２１ｂから出射したレーザ光Ｌ７のＮＡを補正する手順を説明する。
【００４０】
レーザ発振器１で生成されたレーザ光は、光ファイバ１を経由して溶接ヘッド１０に伝送される。溶接ヘッド１０内で溶接ヘッドコリメートレンズ１２に平行化されたレーザ光Ｌ８は、上述した通り、サンプリングミラーによってエネルギの一部（例えば１％以下）が反射され、レーザ光Ｌ１０がビーム形状センサ１５に照射される。
【００４１】
ビーム形状センサ１５はレーザ光Ｌ１０の照射に応じて、検出信号を検出器３へ送信する。検出器３は、検出信号に基づいてレーザ光Ｌ１０の径を検出する。
【００４２】
次に、計算機４が検出器３の検出信号に基づいて入射端２１ａへのレーザ光の入射角度θ２を算出してアクチュエータ２６の駆動量を求めてドライバ５へ送信し、ドライバ５が制御信号を生成してアクチュエータ２６に送信してアクチュエータ２６が駆動される。この一連の動作により、溶接ヘッド１０内のレーザ光Ｌ７の開口率を調整することが可能である。
【００４３】
以上説明したように、本実施形態によれば、レーザ光の光ファイバへの入射角度によって出射された際の開口率が変化する特性を利用し、光ファイバの入射端近傍を回転機構により回動させて当該入射角度を制御することで光ファイバから出射されるレーザ光の開口率を調整することができる。
【００４４】
したがって、レーザ光を伝送する光ファイバの取り扱いや引き回し等の要因がエンドエフェクタから出射されるレーザ光のＮＡに影響を与える場合でも、開口率調整機構の制御によって所望のＮＡを安定して得ることができる。
【００４５】
更に、施工対象物の施工面が平面でなく凸凹形状や傾斜面である場合に、開口率の制御によって、エンドエフェクタと施工対象物の距離を変化させることなく所望のスポット径に維持することが可能であり、エンドエフェクタそのものを駆動する機構の小型化が可能となる。
【００４６】
なお、本実施形態においては、エンドエフェクタである溶接ヘッド１０内でレーザ光Ｌ７のビーム径を測定して開口率調整機構２０を駆動するものとしていたが、ビーム径をリアルタイムで測定する必要がない場合はこの限りではない。例えば、多層溶接やレーザピーニング施工等のように、同一の、またはほぼ同一の施工パスを反復してレーザ照射を行なうようなプロセスの場合は、１パス目の施工で開口率調整機構２０の１パス分の駆動プロファイルを取得し、２パス目以降の施工では同じ（施工方向が逆の場合は逆転させた）プロファイルを適用することで、ＮＡ計算を省略してもよい。
（第２の実施形態）
【００４７】
本発明の第２の実施形態について、図面を用いて以下説明する。なお、第１の実施形態と同じ構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【００４８】
レーザ光の伝送距離が長いアプリケーションの場合に、複数の光ファイバ中継器で接続した構成を用いる場合がある。本実施形態では、複数の光ファイバ中継する中継器が、第１の実施形態で説明した開口率調整機構２０に相当する機能を備えている。また、中継器それぞれに、ビーム径を計測するセンサが搭載されている。
【００４９】
本実施例によるレーザ光伝送システムについて、図６を用いて説明する。図６（ａ）はレーザ光伝送システム１００ｂの概要を示すブロック図、図６（ｂ）は中継器１０２ａの詳細を示すブロック図である。
【００５０】
第２の実施形態では３本の光ファイバ３１、３２、３３を用いてレーザ光を溶接ヘッド１０まで伝送しており、光ファイバ３１と３２を中継器１０２ａにより、また光ファイバ３２と３３を中継器１０２ｂにより光学的に接続している。
【００５１】
次に、中継器１０２ａの構成について、図６（ｂ）を用いて説明する。中継器１０２ａにはレーザ発振器１から出射されたレーザ光を伝送する光ファイバ３１と、中継器１０２ｂに接続された光ファイバ３２が接続されている。中継器１０２ａの構造は、光ファイバ３１からレーザ光が入射し、内部を通過したレーザ光を光ファイバ３２に入射させる構成となっており、光ファイバ３２の入射端３２ａ近傍を、入射端３２ａを回転中心にして回転可能とされている。
【００５２】
また、第１の実施形態の開口率調整機構２０ではミラー２３が配置されていたが、中継器１０２ａではミラー２３に代えてサンプリングミラー２３ａが配置されている。このサンプリングミラー２３ａは、レーザ光Ｌ１２のエネルギの一部（１％以下）を透過し（レーザ光Ｌ１５）、大半のエネルギを反射する（レーザ光Ｌ１３）。
【００５３】
また、サンプリングミラー２３ａを透過したレーザ光Ｌ５を集光させる（レーザ光Ｌ６）ビーム形状センサ用集光レンズ２８ａ、レーザ光Ｌ６の形状を検出するビーム形状センサ２９ａ（例えばＣＣＤ素子）が設けられている。このビーム形状センサ２９ａは、上述の検出器３Ｂに接続されたセンサである。このビーム形状センサ２９ａにより、光ファイバ３１から出射されたレーザ光のビーム径を計測することができる。
【００５４】
中継器１０２ｂの図示は省略するが、光ファイバ３２，３３が接続されているほかは中継器１０２ａと同様であり、光ファイバ３３の入射端を回転可能な構成となっている。また、光ファイバ３２から出射されたレーザ光のビーム径をビーム形状センサ２９ｂによって計測することができる。すなわち、光ファイバ３２の曲げ、捩れ、圧縮等による開口率変化を把握することができる。
【００５５】
中継器１０２ａ、中継器１０２ｂ、溶接ヘッド１０に配置されたビーム形状センサはそれぞれ、検出器３Ｂ、３Ｃ、３Ｄに接続されている。検出器３Ｂ、３Ｃ、３Ｄは計算機４に接続され、計算機４はドライバ５に接続されている。ドライバ５は中継器１０２ａ、１０２ｂ内のアクチュエータに接続される。
【００５６】
本実施形態の計算機４は、溶接ヘッド１０でのビーム径を所望の範囲に維持するべく、複数のアクチュエータの駆動量を算出する。この具体的な処理について、以下説明する。
【００５７】
まず、ビーム形状センサ２９ａでレーザ光Ｌ１５のビーム形状を検出し、ビーム形状の検出信号を検出器３Ｃに伝送する。前記ビーム形状データを受信した検出器３Ｃは、ビーム径データを検出して、計算機４へ送信する。
【００５８】
計算機５は、受信したビーム径データと、ビーム形状センサ用集光レンズ２８ａの焦点距離と、ビーム形状センサ用集光レンズ２８ａとビーム形状センサ２９ａとの設置距離からレーザビームＬ１１のビーム径ｄ１を算出する。さらに、算出されたｄ１とビーム形状センサ用集光レンズ２８ａの焦点距離から、レーザビームＬ１３の集光角度θ４を算出する。
【００５９】
次に、算出されたθ４を用いて光ファイバ３２から出射されるレーザ光のＮＡが目標値となるように光ファイバ３２の入射端側の取付角度θ２を算出し、アクチュエータを駆動させる制御信号を生成してドライバ５に送信し、ドライバ５は制御信号に基づいてアクチュエータの回転角度がθ２になるように制御を行う。
【００６０】
このように、本実施形態によれば、光ファイバを光学的に中継する中継器に開口率調整機構２０を搭載することで、第１の実施形態と同様の効果が得られる。
【００６１】
また、光ファイバ３１の曲げ、捩れによるビーム径の変化は中継器１０２ａのビーム形状センサで、光ファイバ３２の曲げ、捩れによるビーム径の変化は中継器１０２ｂのビーム形状センサで、光ファイバ３３の曲げ、捩れによるビーム径の変化は溶接ヘッド１０のビーム形状センサでそれぞれ個別に計測することが可能である。したがって、仮に光ファイバ３１、３２、３３に何らかの理由で（例えば、施工環境周辺の構造物に光ファイバが引っかかる等して）大きい曲げ、捩れが生じた場合に、何れの光ファイバで生じた事象か特定することが可能である。
【００６２】
また、複数の中継器に開口率調整機構を搭載したことにより、何れかの開口率調整機構が故障した場合も、他の開口率調整機構が機能しており、開口率の変化が機能している開口率調整機構で補正可能な範囲内であれば、システムとしては機能が損なわれることなく施工を継続することが可能である。
【００６３】
また、全ての中継器に開口率調整機構を備える必要はなく、例えば実施工環境において比較的作業員が到達しやすくメンテナンスや交換が容易な位置に配置される中継器のみに開口率調整機構を搭載する等としてもよい。
【００６４】
なお、本実施形態においては、光ファイバ３２の取付角度θ２を求めるにあたり、こりメートレンズ２２ａ、集光レンズ２４ａ、ビーム形状センサ用集光レンズ２８ａそれぞれのレンズに焦点距離ｆ１が等しいものを用いることが望ましい。このような構成でビーム形状センサ用集光レンズ２８ａとビーム形状センサ２９ａの距離を２×ｆ１とすることより、レーザ光Ｌ１０の広がり角とレーザビームＬ１３の集光角度はほぼ等しくなる。また、レーザ光Ｌ１１の径とビーム形状センサ２９ａに検出されるレーザ光Ｌ１５の径もほぼ等しくなるため、計算機４での計算処理が簡単になる。
（第３の実施形態）
【００６５】
本発明の第３の実施形態について、図面を用いて以下説明する。なお、第１の実施形態と同じ構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。本実施形態においては、第１の実施形態で説明した溶接ヘッド１０に設置されたビーム形状センサ１５の変形例について説明する。
【００６６】
図７を用いて、本実施形態による溶接ヘッド１０ｂについて説明する。溶接ヘッド１０Ｂ内には、出射端２１ｂと溶接ヘッドコリメートレンズ１２の間に溶接ヘッドアパーチャ４０が設置され、溶接ヘッドアパーチャ４０および溶接ヘッドコリメートレンズ１２から反射するレーザ光を受光する検出用光ファイバ４１の一端が接続されている。検出用光ファイバ４１の他端は、溶接ヘッド１０ｂ内部で検出用光ファイバ４１に入射したレーザ光の強度を検出する検出器３Ｆ（図示せず）に接続される。
【００６７】
図中の角度θａは、出射端２１ｂから出射したビーム光Ｌ７のうち、溶接ヘッドアパーチャ４０を通過するビームの広がり角度である。つまり、レーザ光Ｌ７の広がり角度がθａよりも小さければ、レーザ光Ｌ７は全て溶接ヘッドアパーチャ４０を通過する。この場合、検出用光ファイバ４１には、溶接ヘッドコリメートレンズ１２の反射面Ｓ１からの反射光Ｐ１のみが入射する。
【００６８】
レーザ光Ｌ７の広がり角度が、図中のθｂで示すようにθａよりも大きい場合、レーザ光Ｌ７の一部は溶接ヘッドアパーチャ４０に照射される（図中のレーザ光Ｌ７’）。この場合、検出用光ファイバ４１には、溶接ヘッドコリメートレンズ１２の反射光Ｐ１と溶接ヘッドアパーチャ４０のＳ２に示す領域で反射した反射光Ｐ２が入射されることとなる。
【００６９】
このような構成によれば、レーザ光Ｌ７の開口率が大きくなるほど検出用光ファイバ４１に入射するレーザ光の強度が高くなるため、レーザ光Ｌ７の開口率を測定することが可能である。計算機４は、検出器３Ｆの検出結果に基づき、レーザ光Ｌ７の広がり角度がθａ以内となるように開口率調整機構２０のアクチュエータ２６の駆動量を計算する。
【００７０】
このように、溶接ヘッドアパーチャ４０と検出用光ファイバ４１を用いた構成により、第１の実施形態と同様の効果を奏することが可能である。
【００７１】
次に、本実施形態の第１変形例について、図８を用いて説明する。本変形例では、検出用光ファイバ１に代えてフォトセンサ４２を備え、溶接ヘッドコリメートレンズ１２及び溶接ヘッドアパーチャ４０で反射するレーザ光を検出する構成としたものである。
【００７２】
本変形例は、第３の実施形態と同様に、フォトセンサ４２で検出されるレーザ光のデータによってレーザ光Ｌ７の開口率を求め、これに基づいて開口率調整機構２０を駆動させるものである。
【００７３】
次に、本実施形態の第２変形例について、図９を用いて説明する。本変形例では。検出用光ファイバ４１の代わりに、溶接ヘッドアパーチャ４０の温度を計測する温度センサ４３を備え、溶接ヘッドアパーチャ４０に当たるレーザビームＬ７’の熱量を検出する構成としたものである。
【００７４】
図中のθｂが大きくなるほど溶接ヘッドアパーチャに照射されるエネルギが増加して高温になるため、温度センサ４３の検出結果に基づいて開口率調整機構２０を制御し、レーザ光Ｌ７の開口率を所定の範囲に維持することが可能である。
【００７５】
次に、本実施形態の第３変形例について、図１０を用いて説明する。本変形例では、第２変形例で説明した温度センサ４３に加え、溶接ヘッドアパーチャ４０を開閉するアパーチャ開閉機構４４を備えたものである。本変形例では溶接ヘッドアパーチャ４０の開度が可変であるが、便宜上、溶接ヘッドアパーチャ４０の初期位置が第１、第２変形例と同じ開度であるものとして説明する。
【００７６】
温度センサ４３により温度上昇を検出した場合（すなわち、レーザ光Ｌ７の一部が溶接ヘッドアパーチャ４０に照射された場合）は、アパーチャ開閉機構４４により溶接ヘッドアパーチャ４０を徐々に開いて、元の温度に戻る位置を求める（レーザビームＬ７が溶接ヘッドアパーチャ４０に当たらない位置）。また、溶接ヘッドアパーチャ４０の温度上昇が無い場合は、溶接ヘッドアパーチャ４０を徐々に閉じて、温度上昇を開始する位置を求める。そして求めた溶接ヘッドアパーチャ４０の開閉位置から、第２の光ファイバ開口率を求める。そしてレーザビームＬ７が溶接ヘッドアパーチャ４０に当たらないように中継器にある開口率調整機構を制御する。
【００７７】
以上説明した第３の実施形態の各変形例によれば、第２の実施形態と同様の効果を奏する。
（第４の実施形態）
【００７８】
本発明の第４の実施形態について、図面を用いて以下説明する。なお、第２の実施形態と同じ構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。また、レーザ光伝送システムの一部は省略して図示する。本実施形態においては、第２の実施形態で説明した中継器１０２ａの別の構成例について説明する。
【００７９】
図１１は、本実施形態による中継器１０２ａの概要を示すブロック図である。本実施形態では、サンプリングミラー２３ａの後方に、さらにサンプリングミラー５１が配置されている。サンプリングミラー５１は、サンプリングミラー２３ａを透過したレーザ光Ｌ１４の一部（例えば１％程度）を反射し、残りを透過させる。
【００８０】
サンプリングミラー５１を透過したレーザ光Ｌ１５は、サンプリング用集光レンズ５２ａに入射する。サンプリング用集光レンズ５２ａで集光されたレーザ光Ｌ１６は、サンプリング用アパーチャ５３を通過し、フォトディテクタ５４ａに入射する。サンプリング用アパーチャ５３は、レーザビームＬ１６の許容ビーム径以下の範囲のみ透過させ、許容ビーム径以上の範囲を遮蔽する。
【００８１】
サンプリングミラー５１で反射されたレーザ光Ｌ１７は、サンプリング用集光レンズ５２ｂに入射する。サンプリング用集光レンズ５２ａで集光されたレーザ光Ｌ１８は、フォトディテクタ５４ｂに入射する。フォトディテクタ５４ａ，５４ｂはそれぞれ、入射するレーザ光Ｌ１６，Ｌ１８のエネルギを計測する。
【００８２】
本実施形態における開口率補正処理の手順について、以下説明する。フォトディテクタ５４ａ，５４ｂで計測したエネルギのデータＥａ、Ｅｂを、検出器３ｂで検出して計算機４に取り込み、データＥａ、Ｅｂからアクチュエータ２６の回転角度θ２を算出する。
【００８３】
Ｅａは、光ファイバ３１の開口率がサンプリング用アパーチャ５３の許容範囲より大きいレーザビームがカットされた受光エネルギである。したがって、データＥａは、レーザ光Ｌ１８の径が大きいほど（＝光ファイバ３１から出射されるレーザ光Ｌ１０の開口率が大きいほど）小さくなる。データＥｂは、光ファイバ３１からのレーザ光のエネルギに比例し、開口率には依存しない。したがって、データＥａとデータＥｂの比を求めることで、第１の光ファイバからのレーザビームの開口率が許容開口率に対してどの程度大きいかを検出することができる。
【００８４】
具体的には、レーザ光Ｌ１８の径がサンプリング用アパーチャ５３の許容径以下の状態だと、ＥａとＥｂの比は一定となり、単純にサンプリングミラー５１の透過率、反射率に依存する。レーザ光Ｌ１８の径がサンプリング用アパーチャ５３の許容径を越えると、Ｅａのエネルギがカットされるため、レーザ光Ｌ１８の径が許容径以下の場合と比較してＥａの比が小さくなる。さらに、レーザ光Ｌ１８の径が大きくなるほどカットされるエネルギが大きくなり、Ｅａの比が小さくなる。したがって、ＥａとＥｂの比からレーザ光Ｌ１０の開口率を求めることができる。
【００８５】
次に、計算機４は算出したＥａとＥｂの比から事前に求めた開口率補正量とアクチュエータ２６の回転角度特性から回転制御角度θ２を求め、ドライバ５に送信する。回転角度θ２は以下の式（２）により求める。
【００８６】
θ２＝Ｋ（Ｅａ／Ｅｂ）＋ｃ ・・・（２）
なお、Ｋは比例定数、ｃは切片である。
【００８７】
ドライバ５はθ２に基づいてアクチュエータ２６の制御信号を生成し、アクチュエータ２６の駆動制御を行う。
【００８８】
以上の手順により、中継器において入射側の光ファイバからの開口率が変動して許容値を逸脱した場合に、フォトディテクタの検出結果を用いて出射側の光ファイバの取付角度を制御して開口率を補正することが可能となり、第２の実施形態と同様の効果を奏する。また、ＥａとＥｂの比から開口率変動を用いることから、発振器の出力変動によってフォトディテクタの検出結果が変化しても影響を受けない。
（第５の実施形態）効率田バーより、中継器において第１のコントローラ）（回転機構）
【００８９】
本発明の第５の実施形態について、図面を用いて以下説明する。なお、第２の実施形態と同じ構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。本実施形態は、開口率補正処理を、レーザ光の集光レンズへの入射位置を移動させるレーザ光入射位置移動機構により行うものである。
【００９０】
図１２は、本実施形態による中継器１０２ａの概略を示すブロック図である。本実施形態では、光ファイバ３２の入射端近傍と集光レンズ２４を一体化してレーザ光Ｌ１２の光軸と垂直方向に移動可能に構成している。光ファイバ３１の開口率の変動を、ビーム形状センサ２９ａを用いて光ファイバ３１からのレーザ光Ｌ１５のビーム径を計測することで検出し、この検出結果に基づいて光ファイバ３２の入射端近傍および集光レンズ２４を移動させることで開口率の補正を行う。
【００９１】
光ファイバ３２の入射端近傍、集光レンズ２４のそれぞれが集光レンズホルダ６１に取り付けられて一体とされている。この集光レンズホルダ６１をレーザ光Ｌ１２の光軸と垂直方向に移動させる駆動機構は、アクチュエータ（シフト機構）（ここではＤＣサーボモータ）６２、ボールネジ６３、リニアガイド６４から構成される。これらの一連の構成要素により、レーザ光入射位置移動機構が形成される。なお、図１２においては、集光レンズホルダ６１を紙面左方向に移動させた状態を示している。
【００９２】
集光レンズホルダ６１が移動すると、集光レンズ２４上でレーザ光Ｌ１２が入射する位置が変化する。すると、実質的に集光レンズ２４で集光されたレーザ光Ｌ１３の光軸が傾く。図１２においては、レーザ光Ｌ１３の光軸Ａ１がθ２傾いた状態を示している。このように、集光レンズホルダ６１を移動させることで、光ファイバ３２の入射端に対して入射するレーザ光の光軸を傾け、開口率を補正することが可能である。
【００９３】
以上説明したように、本実施形態によれば、光ファイバの入射端近傍と集光レンズを一体として構成し、集光レンズに入射するレーザ光の光軸に対して垂直方向に移動可能な構成とすることで、第２の実施形態と同様の効果を奏する。
【００９４】
本実施形態の変形例について、図１３を用いて説明する。本変形例では、サンプリングミラー２３ａをサンプリングミラーホルダ６５内に配置し、サンプリングミラーホルダ６５をアクチュエータ（シフト機構）（ここではＤＣサーボモータ）６６、ボールネジ６７、リニアガイド６８によりレーザ光Ｌ１２の光軸と垂直方向に移動可能な構成としている。
【００９５】
このような構成でも集光レンズ２４上でレーザ光Ｌ１２が入射する位置を変化させることができ、開口率を補正することが可能である。
（第６の実施形態）効率田バーより、中継器において第１のコントローラ）（回転機構）
【００９６】
本発明の第６の実施形態について、図面を用いて以下説明する。なお、第２の実施形態と同じ構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。本実施形態は、開口率補正処理を、第５の実施形態とは異なる構成のレーザ光入射位置移動機構により行うものである。
【００９７】
図１４は、本実施形態による中継器１０２ａの概略を示すブロック図である。本実施形態では、サンプリングミラー２３ａと集光レンズ２４の間、つまりレーザ光Ｌ１２の光路上に、屈折レンズホルダ７１と、これを回転させるアクチュエータ（シフト機構）７２（ここではＤＣサーボモータを用いている）を備える。屈折レンズホルダ７１は、回転軸７３を中心に、アクチュエータ７２によって回転させられる。これらの一連の構成要素により、レーザ光入射位置移動機構が形成される。
【００９８】
レーザ光Ｌ１２は、その光軸に対して傾けられた屈折レンズホルダ７１内の屈折レンズに入射すると、屈折レンズの厚さと傾きに応じて、光軸に垂直な方向にずれて出射される（レーザ光Ｌ１２’）。すなわち、アクチュエータ７２の制御によって集光レンズ２４上でレーザ光Ｌ１２’が入射する位置を変化させることができ、開口率を補正することが可能である。
【００９９】
以上説明したように、本実施形態の中継器１０２ａによれば第２の実施形態と同様の効果を奏する。
（第７の実施形態）効率田バーより、中継器において第１のコントローラ）（回転機構）
【０１００】
本発明の第７の実施形態について、図面を用いて以下説明する。なお、第２の実施形態と同じ構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【０１０１】
図１５は、本実施形態による中継器１０２ａの概略を示す図である。本実施形態では、サンプリングミラー２３ａを透過したレーザ光Ｌ１４は、第４の実施形態と同様に、サンプリング用集光レンズ５２ａによって集光され、サンプリング用アパーチャ５３を通過してフォトディテクタ５４ａに入射する。また、サンプリング用アパーチャ５３は開閉機構８１を備えている。
【０１０２】
本実施形態では、レーザビームＬ１０の開口率をフォトディテクタ５４ａとサンプリング用アパーチャ５３の開口径から求め、アクチュエータ２６を駆動して開口率を補正するものである。
【０１０３】
開閉機構８１によりサンプリング用アパーチャ５３の開口径を変化させ、開口径がレーザ光Ｌ１８の径以下になるとフォトディテクタ５４ａで検出されるエネルギが小さくなる。開口径がレーザ光Ｌ１８の径以上の場合は、フォトディテクタ５４ａで検出されるエネルギは一定である。このことから、サンプリング用アパーチャ５３の開口系とフォトディテクタ５４ａの出力の関係から、レーザ光Ｌ１８の径求めることができる。このレーザ光Ｌ１８の径に基づいてアクチュエータ２６を駆動し、開口率を補正することが可能である。
【０１０４】
以上説明したように、本実施形態の中継器１０２ａによれば第２の実施形態と同様の効果を奏する。
（第８の実施形態）
【０１０５】
本発明の第８の実施形態について、図面を用いて以下説明する。なお、第２の実施形態と同じ構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【０１０６】
図１６は、本実施形態による中継器１０２ａの概略を示す図である。本実施形態では、中継器１０２ａ内にレーザ光を伝送する光ファイバ３１の出射端近傍を回転させることで開口率補正を行う。
【０１０７】
光ファイバ３１の出射端とコリメートレンズ２２の焦点が一致する位置に光ファイバ３１出射端近傍の回転中心あり、その回転中心軸は光ファイバ３１の出射端の法線およびコリメートレンズ２２の中心軸の両方に対して垂直となるよう配置されている。この回転中心を軸として、アクチュエータ９１（ここではＤＣサーボモータ）が光ファイバ３１の出射端近傍を回転させる。
【０１０８】
光ファイバ３１の出射端近傍が回転すると、コリメートレンズ２２上におけるレーザ光Ｌ１０の入射位置が変化する。この結果、最終的に集光レンズ２４上におけるレーザ光Ｌ１２の入射位置が変化するため、第５の実施形態と同様に、開口率を補正することが可能である。
【０１０９】
なお、ビーム形状センサ２９ａに投影されるビーム径はファイバ３１の回転によって変化するため、厳密に開口率を測定するためにはＬ１５がビームセンサ２９ａに入射する角度で補正する必要がある。この場合アクチュエータ９１の図示しない回転角度センサをもちいる。またはビーム形状センサ２９ａとしてのＣＣＤ素子の画像処理によって計測できるＬ１５のエネルギ分布の中心位置とレンズ２８ａの焦点距離ｆ１からもビームセンサ２９ａへのＬ１５の入射角度を算出しても良い。
【０１１０】
以上説明したように、本実施形態の中継器１０２ａによれば第２の実施形態と同様の効果を奏する。
（第９の実施形態）
【０１１１】
本発明の第９の実施形態について、図面を用いて以下説明する。なお、第２の実施形態と同じ構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。図１７は、本実施形態によるレーザ光伝送システム１００ｃの概要を示すブロック図である。レーザ光伝送システム１００ｃは、レーザ光を１台の中継器で２本の光ファイバに分岐する構成となっている。
【０１１２】
本実施例では、光ファイバ９２により中継器１０２ｃへ伝送されるレーザ光を、中継器１０２ｃの内部の分岐光学系により分岐させて開口率調整機構２０ａ，２０ｂに導入する。開口率調整機構２０ａ，２０ｂに導入されたレーザ光はそれぞれ光ファイバ９３，９４に入射され、溶接ヘッド１０ａ，１０ｂに伝送される。溶接ヘッド１０ａ，１０ｂはそれぞれ作業対象１０１ａ，１０１ｂに対して溶接施工を行う。
【０１１３】
開口率調整機構２０ａ，２０ｂはそれぞれ独立に動作し、光ファイバ９３，９４に入射するレーザ光の開口率を調整することにより、溶接ヘッド１０ａ，溶接ヘッド１０ｂの施工条件が異なっていてもそれぞれに適した開口率でレーザビームを供給することができる。
【０１１４】
上述の分岐光学系の構成例を図１８に示す。光ファイバ９２から出射したレーザ光Ｌ２０は、コリメートレンズ９５によって平行なレーザ光Ｌ２１とされる。レーザ光Ｌ２１は部分反射ミラー９６に入射し、エネルギの一部（例えば５０％程度）が反射され（レーザ光Ｌ２２）、残りのエネルギは透過する（レーザ光Ｌ２３）。レーザ光Ｌ２２は開口率調整機構２０ｂに導かれる。レーザ光Ｌ２３は全反射ミラー９７で反射されて開口率調整機構２０ａに導かれる。
【０１１５】
ここで、全反射ミラー９７を、レーザ光の一部（例えば１％程度）を透過するサンプリングミラーに変更し、透過したレーザ光の径をフォトディテクタ等の計測手段で計測して検出器に信号を送信する構成とすれば、開口率調整機構２０ａ，２０ｂ内にレーザ光径の計測手段を省略することが可能である。
【０１１６】
なお、本実施形態では２つの溶接ヘッドにレーザレーザビームを供給する例を説明したが、３系統以上の溶接ヘッドに対してレーザビームを供給する構成とすることも当然可能である。
【０１１７】
以上の構成によれば、複数の溶接ヘッドに対して安定した開口率のレーザビームを供給することが可能である、また、各溶接ヘッドの施工条件が異なる場合でも開口率調整機構の制御により、各溶接ヘッドの施工条件を満たすことが可能である。
（第１０の実施形態）
【０１１８】
本発明の第１０の実施形態について、図面を用いて以下説明する。なお、第２の実施形態と同じ構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。図１９（ａ）は本実施形態によるレーザ光伝送システム１００ｄの概要を示すブロック図、（ｂ）は溶接ヘッド１０近傍の要部拡大図である。
【０１１９】
本実施形態では、平面でない（数ｍｍ程度の起伏の存在する面）作業対象に対して、小型で簡易な溶接ヘッドによる溶接施工を可能とする構成の実施例である。
【０１２０】
溶接ヘッド１０は走査方向の前方側（図２０（ｂ）の紙面右方向）に、作業対象１０１との距離を計測する距離センサ１１１を備えている。溶接ヘッド１０は、アクセス装置１１２によって移動され、作業対象１０１上を走査する。アクセス装置１１２はケーブルを介してアクセス装置制御盤１１３に接続され、走査動作を駆動制御される。また、距離センサ１１は、ケーブルを介して距離センサアンプ１１４に接続され、計測信号を距離センサアンプ１１４に送信する。距離センサアンプ１１４は、距離センサ１１１から受信した信号に基づいて距離データを求め、計算機４に送信する。
【０１２１】
レーザ発振器１から光ファイバ３１、光ファイバ３２、および開口率調整機構を内蔵した中継器１０２を介して、溶接ヘッド１０へレーザ光が伝送される。
【０１２２】
従来は、作業対象１０１の作業対象面が平面で無い場合、溶接ヘッド１０をアクセス装置１１２で作業対象面の垂直方向への移動を制御することで施工可能条件を満たすようにし、走査を行っていた。
【０１２３】
本実施形態では、溶接ヘッド１０を作業対象面の垂直方向の駆動制御を行うことなく、レーザ光の焦点距離を制御することで施工可能条件を満たすことが可能である。以下に処理手順を述べる。
【０１２４】
距離センサ１１１により、平面でない施工材料までの距離を検出し、距離センサアンプ３０３を介して、計算機４に送信する。計算機は正規距離データ（既定値として設定されている焦点距離における施工条件を満足する距離）と距離センサで検出した距離との差分を求める。
【０１２５】
次に、計算機４は前記差分値に対する焦点距離を求め、焦点距離に対する中継器での開口率調整用制御データを求める。次に求めた開口率調整用制御データをドライバ５へ送信する。
【０１２６】
ドライバ５は、受信した開口率調整用制御データから距離センサが検出した位置に移動したときに、計算機４で求めた焦点距離になるように中継器に内蔵する開口率調整機構の駆動制御を行う。
【０１２７】
以上のように、溶接ヘッドと作業対象面の距離が変化しても、開口率調整機構２０の駆動制御により施工可能条件を維持したまま走査することが可能である。すなわち、作業対象面の形状により溶接ヘッドと作業対象面の距離が変化すると、施工条件を満たすＮＡも変化後の距離に応じて変化する。この当該変化後のＮＡを満たすように開口率調整機構２０の駆動制御することで、溶接ヘッドと作業対称面の距離を調整することなく施工条件を満たすことが可能である。
【０１２８】
なお、当然ながら本実施形態の開口率調整機構は上述した実施形態の何れの構成を用いてもよい。
（その他の実施形態）
【０１２９】
上述した各実施形態では、主に光ファイバの曲げ等によりエンドエフェクタから出射されるＮＡに影響を与える場合でも所望のＮＡを維持できるものとして説明したが、本発明によるＮＡ調整により得られる効果はこれに限られず、作業プロセスに応じて様々な応用が可能である。
【０１３０】
例えば水中でのき裂封止溶接として、溶接プロセスの前に溶接時よりもスポット径が大きくエネルギ密度が低いレーザ光でき裂周辺を加熱し、き裂内部の水を蒸発させる加熱プロセスを行うものが知られている。このプロセスにおいて本発明による開口率調整機構を用い、ＮＡを大きくして加熱プロセスを行い、加熱プロセスよりも小さいＮＡで溶接プロセスを行う、といったことが可能である。この場合、発振器や中継器の構成で加熱プロセスと溶接プロセスを切り替えることが可能であり、溶接ヘッドにはプロセス切替のための特別な構成が不要となるため、溶接ヘッドの小型化に寄与する。
【０１３１】
なお、第１０の実施形態や上述したき裂封止溶接への適用例のように光ファイバの曲げ等とは別の要因によりＮＡを制御する場合は、光ファイバの曲げ等の影響が無いもしくは考慮しなくてよいほど小さい場合は、各実施形態で説明したレーザ光径を計測するための構成を省略してもよい。
【０１３２】
以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、各実施形態の組合せ、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【０１３３】
例えば、各実施の形態では施工プロセスをレーザ溶接として説明したが、例えばレーザピーニングやレーザ切断等の種々のプロセスに適用することが可能である。
【０１３４】
また、第１実施形態の開口率調整機構２０と第２実施形態の中継器１０２ａ、１０２ｂを併用することも当然可能である。
【０１３５】
また、第３の実施形態の第１、第２変形例等にアパーチャ開閉機構４４を設けてもよく、また第３変形例で温度センサに代えてレーザ光Ｌ７’を検知する光センサをアパーチャ４０に設けてもよい。
【０１３６】
また、各実施の形態では、開口率調整機構２０内でレーザ光の経路を９０度曲げているものとして説明したが、当然ながらこの角度は任意に設定することができ、また経路を曲げず中継する構成であってもよい。
【０１３７】
さらに、第３から第８の実施形態は中継器の構成として説明したが、レーザ発振器１に接続される開口率調整機構２０に適用することも当然可能である。
【符号の説明】
【０１３８】
１００，１００ａ，１００ｂ，１００ｃ，１００ｄ レーザ光伝送システム
１０１，１０１ａ，１０１ｂ 作業対象
１０２，１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃ 中継器
１ レーザ発振器
２ ケーシング
３，３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ，３ｅ，３ｇ，３ｆ，３ｈ 検出器
４ 計算機
５ ドライバ
１０ 溶接ヘッド
１１ ファイバコネクタ
１２ 溶接ヘッドコリメートレンズ
１３ 溶接ヘッド集光レンズ
１４ サンプリングミラー
１５ ビーム形状センサ
１６ 溶接ノズル
１７ カバーガスホース
２０，２０ａ，２０ｂ 開口率調整機構
２１ 光ファイバ
２１ａ 入射端
２１ｂ 出射端
２２ コリメートレンズ
２３ ミラー
２３ａ サンプリングミラー
２４ 集光レンズ
２５ ファイバコネクタ
２６ アクチュエータ
２８ａ ビーム形状センサ用集光レンズ
２９ａ ビーム形状センサ
３１、３２、３３ 光ファイバ
４０ 溶接ヘッドアパーチャ
４１ 検出用光ファイバ
４２ フォトセンサ
４３ 温度センサ
４４ アパーチャ開閉機構
５１ サンプリングミラー
５２ａ、５２ｂ サンプリング用集光レンズ
５３ サンプリング用アパーチャ
５４ａ、５４ｂ フォトディテクタ
６１ 集光レンズホルダ
６２ アクチュエータ
６３ ボールネジ
６４ リニアガイド
６５ サンプリングミラーホルダ
６６ アクチュエータ
６７ ボールネジ
６８ リニアガイド
７１ 屈折レンズホルダ
７２ アクチュエータ
７３ 回転軸
８１ 開閉機構
９１ アクチュエータ
９２、９３、９４ 光ファイバ
９５ コリメートレンズ
９６ 部分反射ミラー
９７ 全反射ミラー
１１１ 距離センサ
１１２ アクセス装置
１１３ アクセス装置制御盤
１１４ 距離センサアンプ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光を伝送するレーザ光伝送装置であって、
入射端にレーザ光が入射し、出射端から前記レーザ光が出射される光ファイバと、
レーザ光の光源と前記光ファイバの前記入射端を光学的に接続し、前記入射端に前記レーザ光を入射する入射光学系と、
前記入射光学系から前記入射端に入射される前記レーザ光の光軸と前記入射端面との角度を変化させる入射角度調整手段と、を備えることを特徴とするレーザ光伝送装置。
【請求項２】
前記入射光学系は、前記光源からのレーザ光を平行化する第１レンズ系と、第１レンズ系によって平行化されたレーザ光を集光して前記入射端に入射させる第２レンズ系と、を有することを特徴とする請求項１記載のレーザ光伝送装置。
【請求項３】
前記入射角度調整手段は、前記入射端面と平行な軸を中心に前記入射端面を回転させて、前記第２レンズ系の中心軸に対して前記入射端面垂直軸の角度を相対的に変更する回転機構を有することを特徴とする請求項２記載のレーザ光伝送装置。
【請求項４】
前記入射角度調整手段は、前記第２レンズ系と前記第２レンズ系に入射される前記レーザ光の光軸を相対的に移動させ、前記レーザ光の前記第２レンズ系への入射位置を移動させるレーザ光入射位置移動機構を有することを特徴とする請求項２または請求項３記載のレーザ光伝送装置。
【請求項５】
前記レーザ光入射位置移動機構は、前記第２レンズ系と前記入射端面の相対位置を維持したまま、前記第２レンズ系と前記光ファイバの前記入射端近傍を前記第２レンズ系に入射する前記レーザ光の光軸の垂直方向に移動させる第２レンズ系移動機構を有することを特徴とする請求項４記載のレーザ光伝送装置。
【請求項６】
前記レーザ光入射位置移動機構は、前記光源から前記第２レンズ系までの光学系を移動させることで、前記第２レンズ系に入射する前記レーザ光の前記光軸を、前記光軸の垂直方向に移動させる光学系移動機構を有することを特徴とする請求項４または請求項５記載のレーザ光伝送装置。
【請求項７】
前記レーザ光入射位置移動機構は、第１レンズ系の光源側の焦点に回転中心を持ち、第１レンズ系に入射する前記レーザ光の光軸を回転させる光軸回転機構を有することを特徴とする請求項４乃至請求項６の何れか１項に記載のレーザ光伝送装置。
【請求項８】
前記第１レンズ系に入射される前記レーザ光の開口率を測定する開口率測定手段をさらに備え、この開口率測定手段の測定結果に基づいて前記入射角度調整手段が駆動されることを特徴とする請求項２乃至請求項７の何れか１項に記載のレーザ光伝送装置。
【請求項９】
前記第１レンズ系に入射する前記レーザ光または前記第１レンズ系から前記第２レンズ系に伝送される前記レーザ光の一部をサンプリングする部分反射ミラーと、
この部分反射ミラーよってサンプリングされた光の強度または空間的エネルギ分布を測定する光センサと、
この光センサの測定結果に基づき、前記入射角度調整手段の駆動量を算出する計算手段と、を備えることを特徴とする請求項２乃至請求項８の何れか１項に記載のレーザ光伝送装置。
【請求項１０】
レーザ光の光源と、
入射端にレーザ光が入射し、出射端から前記レーザ光が出射される光ファイバと、
レーザ光の光源と前記光ファイバの前記入射端を光学的に接続し、前記入射端に前記レーザ光を入射する入射光学系と、
前記入射光学系から前記入射端に入射される前記レーザ光の光軸と前記入射端面との角度を変化させる入射角度調整手段と、
前記出射端と接続され、前記出射端から出射された前記レーザ光を作業対象物に照射する照射ヘッドと、
を備えることを特徴とするレーザ光伝送システム。
【請求項１１】
前記照射ヘッドは、前記出射端から出射された前記レーザ光の開口率を測定する開口率測定手段を備え、
前記入射角度調整手段は前記開口率測定手段の測定結果に基づいて駆動されることを特徴とする請求項１０記載のレーザ光伝送システム。
【請求項１２】
開口率測定手段は、前記出射端から出射され前記照射ヘッド内に設けられた照射ヘッド内光学系で平行化された前記レーザ光の径を計測するレーザ径測定手段を有することを特徴とする請求項１１記載のレーザ光伝送システム。
【請求項１３】
前記出射端から出射したレーザ光が通過するアパーチャと、
このアパーチャによって遮蔽された前記レーザ光のエネルギを検出するためのエネルギ計測センサを備え、
前記入射角度調整手段は前記エネルギ計測センサの計測結果に基づいて駆動されることを特徴とする請求項１１または請求項１２記載のレーザ光伝送システム。
【請求項１４】
前記照射ヘッドと前記作業対象物の距離を測定する距離センサを備え、前記距離センサの測定結果に基づいて前記入射角度調整手段を駆動することを特徴とする請求項１１乃至請求項１３の何れか１項記載のレーザ光伝送システム。
【請求項１５】
光源から出射したレーザ光を集光して光ファイバの入射端に入射させる入射ステップと、
前記光ファイバの出射端から出射したレーザ光を作業対象物に照射する照射ステップを備えるレーザ光照射方法であって、
前記集光されたレーザ光の光軸と前記入射端の角度を変更し、前記出射端から出射される前記レーザ光の開口率を調整する開口率調整ステップをさらに備えることを特徴とするレーザ光照射方法。
【請求項１】
レーザ光を伝送するレーザ光伝送装置であって、
入射端にレーザ光が入射し、出射端から前記レーザ光が出射される光ファイバと、
レーザ光の光源と前記光ファイバの前記入射端を光学的に接続し、前記入射端に前記レーザ光を入射する入射光学系と、
前記入射光学系から前記入射端に入射される前記レーザ光の光軸と前記入射端面との角度を変化させる入射角度調整手段と、を備えることを特徴とするレーザ光伝送装置。
【請求項２】
前記入射光学系は、前記光源からのレーザ光を平行化する第１レンズ系と、第１レンズ系によって平行化されたレーザ光を集光して前記入射端に入射させる第２レンズ系と、を有することを特徴とする請求項１記載のレーザ光伝送装置。
【請求項３】
前記入射角度調整手段は、前記入射端面と平行な軸を中心に前記入射端面を回転させて、前記第２レンズ系の中心軸に対して前記入射端面垂直軸の角度を相対的に変更する回転機構を有することを特徴とする請求項２記載のレーザ光伝送装置。
【請求項４】
前記入射角度調整手段は、前記第２レンズ系と前記第２レンズ系に入射される前記レーザ光の光軸を相対的に移動させ、前記レーザ光の前記第２レンズ系への入射位置を移動させるレーザ光入射位置移動機構を有することを特徴とする請求項２または請求項３記載のレーザ光伝送装置。
【請求項５】
前記レーザ光入射位置移動機構は、前記第２レンズ系と前記入射端面の相対位置を維持したまま、前記第２レンズ系と前記光ファイバの前記入射端近傍を前記第２レンズ系に入射する前記レーザ光の光軸の垂直方向に移動させる第２レンズ系移動機構を有することを特徴とする請求項４記載のレーザ光伝送装置。
【請求項６】
前記レーザ光入射位置移動機構は、前記光源から前記第２レンズ系までの光学系を移動させることで、前記第２レンズ系に入射する前記レーザ光の前記光軸を、前記光軸の垂直方向に移動させる光学系移動機構を有することを特徴とする請求項４または請求項５記載のレーザ光伝送装置。
【請求項７】
前記レーザ光入射位置移動機構は、第１レンズ系の光源側の焦点に回転中心を持ち、第１レンズ系に入射する前記レーザ光の光軸を回転させる光軸回転機構を有することを特徴とする請求項４乃至請求項６の何れか１項に記載のレーザ光伝送装置。
【請求項８】
前記第１レンズ系に入射される前記レーザ光の開口率を測定する開口率測定手段をさらに備え、この開口率測定手段の測定結果に基づいて前記入射角度調整手段が駆動されることを特徴とする請求項２乃至請求項７の何れか１項に記載のレーザ光伝送装置。
【請求項９】
前記第１レンズ系に入射する前記レーザ光または前記第１レンズ系から前記第２レンズ系に伝送される前記レーザ光の一部をサンプリングする部分反射ミラーと、
この部分反射ミラーよってサンプリングされた光の強度または空間的エネルギ分布を測定する光センサと、
この光センサの測定結果に基づき、前記入射角度調整手段の駆動量を算出する計算手段と、を備えることを特徴とする請求項２乃至請求項８の何れか１項に記載のレーザ光伝送装置。
【請求項１０】
レーザ光の光源と、
入射端にレーザ光が入射し、出射端から前記レーザ光が出射される光ファイバと、
レーザ光の光源と前記光ファイバの前記入射端を光学的に接続し、前記入射端に前記レーザ光を入射する入射光学系と、
前記入射光学系から前記入射端に入射される前記レーザ光の光軸と前記入射端面との角度を変化させる入射角度調整手段と、
前記出射端と接続され、前記出射端から出射された前記レーザ光を作業対象物に照射する照射ヘッドと、
を備えることを特徴とするレーザ光伝送システム。
【請求項１１】
前記照射ヘッドは、前記出射端から出射された前記レーザ光の開口率を測定する開口率測定手段を備え、
前記入射角度調整手段は前記開口率測定手段の測定結果に基づいて駆動されることを特徴とする請求項１０記載のレーザ光伝送システム。
【請求項１２】
開口率測定手段は、前記出射端から出射され前記照射ヘッド内に設けられた照射ヘッド内光学系で平行化された前記レーザ光の径を計測するレーザ径測定手段を有することを特徴とする請求項１１記載のレーザ光伝送システム。
【請求項１３】
前記出射端から出射したレーザ光が通過するアパーチャと、
このアパーチャによって遮蔽された前記レーザ光のエネルギを検出するためのエネルギ計測センサを備え、
前記入射角度調整手段は前記エネルギ計測センサの計測結果に基づいて駆動されることを特徴とする請求項１１または請求項１２記載のレーザ光伝送システム。
【請求項１４】
前記照射ヘッドと前記作業対象物の距離を測定する距離センサを備え、前記距離センサの測定結果に基づいて前記入射角度調整手段を駆動することを特徴とする請求項１１乃至請求項１３の何れか１項記載のレーザ光伝送システム。
【請求項１５】
光源から出射したレーザ光を集光して光ファイバの入射端に入射させる入射ステップと、
前記光ファイバの出射端から出射したレーザ光を作業対象物に照射する照射ステップを備えるレーザ光照射方法であって、
前記集光されたレーザ光の光軸と前記入射端の角度を変更し、前記出射端から出射される前記レーザ光の開口率を調整する開口率調整ステップをさらに備えることを特徴とするレーザ光照射方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【公開番号】特開２０１２−１５５１５９（Ｐ２０１２−１５５１５９Ａ）
【公開日】平成２４年８月１６日（２０１２．８．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１４６０４（Ｐ２０１１−１４６０４）
【出願日】平成２３年１月２６日（２０１１．１．２６）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年８月１６日（２０１２．８．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１月２６日（２０１１．１．２６）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
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