(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ放射装置と１次元光センサと、該レーザ放射装置からのレーザ光を対象に導いて１方向に走査し該対象から反射するレーザ光を前記１次元光センサに導くスキャニング機構を備えるものであって、さらに、前記レーザ放射装置の出力と前記１次元光センサの露光条件を調整して入射光量を調節する入射光量調節器を備えて、該入射光量調節器が前記調整のための操作量と前記入射光量の間の関数関係を記憶した記憶装置を備え、前記スキャニング機構によるスキャニング中のレーザ光照射方向に連動して以前に同じ照射方向であったときに前記１次元光センサが検出した該１次元光センサ全体の受光量を明るさ評価値として、該明るさ評価値が所定の目標値に近づくように入射光量を調整するための１周期のスキャニングに亘る調整値の列を前記関数関係を用いて準備して、該調整値の列に基づいて入射光量を調整することを特徴とする断面形状計測装置。
【請求項２】
前記入射光量調整の規準となる前記受光量は、前記スキャニング中のレーザ光照射方向が前回のスキャニングで同じ方向であった時の検出光量とすることを特徴とする請求項１記載の断面形状計測装置。
【請求項３】
前記スキャニング機構は揺動軸を中心として往復動するスキャニングミラーであって、揺動角度を検出してレーザ光放射方向を推定する角度センサを備えることを特徴とする請求項１または２記載の断面形状計測装置。
【請求項４】
前記入射光量調整は、前記スキャニングミラーの揺動の往路と復路のいずれにおいても実施することを特徴とする請求項２または３記載の断面形状計測装置。
【請求項５】
前記入射光量調整の規準となる前記１次元光センサの受光量は、前記１次元光センサ全体の受光量に代えて、該センサを構成する受光素子のいずれかが検出した最大の検出光量とすることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の断面形状計測装置。
【請求項６】
前記関数関係は変換テーブルの形で前記記憶装置に格納されることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の断面形状計測装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、倣い溶接などに利用する溶接用レーザセンサの計測精度向上技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
溶接ロボットを利用した自動溶接装置の発展が著しいが、より高速に精密で高品位の溶接を行うため、ビームスキャン型レーザセンサを導入してできるだけ近いところから溶接部の形状を測定しながら倣い溶接するものが用いられるようになってきた。
ビームスキャン型レーザセンサは、赤色あるいは赤外線のレーザ光ビームを放出するレーザ放射装置と、対象物で反射したレーザ光が入射する素子の位置が対象物までの距離に対応するように配置されたＣＣＤリニアセンサと、レーザ光路中に挿入され揺動することによりレーザ光を走査させるスキャニングミラーとを備えて、対象物を走査し表面までの距離を求めて輪郭を計測するようにしたものである。
なお、レーザ放射装置には普通、小型安価でかつ制御が容易なため半導体レーザ素子が利用される。また、検出光学系に照射するレーザ光の波長に合わせたバンドパスフィルタを利用することにより、環境から侵入するノイズ光の影響を抑制して信号雑音比（ＳＮ比）を向上させて、より正確な測定ができるように構成されている。
【０００３】
ところが、レーザ光の強度が変動しなくても対象物の材質やレーザ光が当たる面の向きなど表面状態によってＣＣＤセンサに入射する反射光の強度が変化するため、安定した表面形状測定ができない。すなわち、反射光が強すぎれば多数のＣＣＤ素子が感応し輪郭が太線で表されるため実際の位置を正確に判定することが難しい。また、反射光が弱いとＣＣＤ素子出力が検出閾値より低くなって輪郭線が切れるので、正しい形状が検出できない。
従来、レーザ距離計などでは、計測対象からの反射光の光量に応じてレーザ出力や検出素子の露光時間を調整し、受光素子の飽和や反射光の不足など光度変動に対処する方法が用いられていた。この方法は対象が移動しないことを前提として目的の距離を測定するものであるから、時間に制約を受けることはない。
【０００４】
しかし、溶接用のビームスキャン型レーザセンサでは、走査中に走査方向の分解能に対応して数１００回の距離計測を行う。さらに、レーザ光を照射したときの反射位置を検出するため、距離分解能に対応する数だけ直線配置された受光素子について受光量走査を行う。１回の受光量走査には数１０μｓ程度かかる。
光走査中に光照射位置が変わり、計測対象表面の変化に従って入射光量が変動するから、ＣＣＤ素子に入射する光量に従って直ちにレーザ出力を制御するようにすることは、制御回路の演算速度や最適な調整量の算出論理の複雑さという観点から容易でなかった。
【０００５】
また、レーザ放射装置に用いられる半導体レーザ素子の使用温度はたとえば０−４０℃と範囲が狭いので、溶接部近くに位置して高温に晒される溶接用レーザセンサは使用範囲に収まるように強制的に冷却して使用する。なお、外気温が低いところで使用するときには、始動時など素子が十分暖まるまで作動しないこともある。
さらに、半導体レーザは温度の影響が大きくレーザ光のピーク波長は通常１０℃の温度差について５ｎｍ程度の変動する一方、センサの実際温度は環境により変化するので、バンドパスフィルタの透過波長幅は２０ｎｍなどある程度広く取る必要がある。このため、環境から侵入するノイズ光の除去率が低下しＳＮ比を十分抑えることができない。したがって、レーザ高強度を十分に強くし輪郭線検出に用いる閾値を下げて検出感度を高めるため、輪郭線を細く鮮明に画定することは困難である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明が解決しようとする課題は、自動倣い溶接装置など溶接部に接近して設けられるビームスキャン型レーザセンサにおいて、測定対象部位の条件変化によりセンサに入射する反射光が変動する場合にも、溶接形状を高精度で計測できる装置を提供することであり、半導体素子のように温度の影響を受けやすいレーザ発生素子を使用した場合にも、精度よく形状計測できる装置を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明の断面形状計測装置は、レーザ放射装置と１次元光センサと、レーザ放射装置からのレーザ光を測定対象に導きながら対象表面を１方向に走査し表面から反射するレーザ光を１次元光センサに導くスキャニング機構を備えて、スキャニング機構を対象に対して相対的に移動させて必要な領域面を走査するものであって、さらに、レーザ放射装置の出力と１次元光センサの露光条件を調整して入射光量を調節する入射光量調節器を備えて、入射光量調節器が調整のための操作量と入射光量の間の関数関係を記憶した記憶装置を備え、スキャニング機構によるスキャニングに連動してレーザ光照射方向が以前に同じ照射方向であったときに１次元光センサが検出した１次元光センサ全体の受光量を明るさ評価値として、該明るさ評価値が所定の目標値に近づく方向に入射光量を調整するための１周期のスキャニングに亘る調整値の列を前記関数関係を用いて準備して、該調整値の列に基づいて入射光量を調整することを特徴とする。
【０００８】
スキャニング機構には、ガルバノミラーなどを用いてミラー面の向きから直接にレーザ照射方向を得る機構を用いることができるが、また、揺動角度センサを備えたスキャニングミラーを使用する機構を用いることもできる。このスキャニングミラーは回動軸を中心として揺動するものであって、角度センサにより揺動角度を検出してレーザ光放射方向を知ることができる。スキャニングミラーが揺動している間であって以前に同じ位相角を取った時における検出光量を入射光量調整のために用いる規準受光量とすることができる。
なお、入射光量調整は、スキャニングミラーの揺動の往路と復路の両方で実施するようにしてもよい。
【０００９】
本発明の断面形状計測装置は、レーザ光を対象物表面に照射し、反射光を測定光学系を介してたとえばＣＣＤ素子を１列に並べた１次元光センサに入射させ、反射光に感応した素子の位置からレーザ光の反射位置を算定する。こうして得られた反射位置、すなわち対象物の表面位置のデータをレーザビームのスキャン方向に集約することにより１スキャン毎の輪郭線を作成する。さらに、装置を前進させながら対象物全面について輪郭線を形成することにより表面形状を計測するようになっている。
【００１０】
本発明の断面形状計測装置によれば、装置のスキャニング方向に沿って変化する測定対象物の状態は１次元光センサで受光量情報として取得してある。そこで、新しいスキャニングを行うときには以前に取得した受光量情報に基づいて、反射光が明るい位置では光量レベルを下げ、反射光が暗い位置では光量レベルを上げるようにして、１次元光センサの入射光量を調整する。このように、１次元光センサの受光量が所定の目標値に近づくようにして、受光量の平準化をし検出感度を適当な水準に保持すると、センサで検出する対象物表面の光切断線が適当な太さを維持するので、対象物形状計測の精度を確保することができる。
【００１１】
対象物の表面状態はレーザ光のスキャン方向に沿って変化するので、入射光量調整はレーザ光の照射方向ごとに行う必要がある。このため、本発明では、１次元光センサが以前に取得した同じ照射方向における受光量情報に基づき、新たな測定で受光量が所定の値に近づく方向に入射光量を調整する。
入射光量は、レーザ発生素子の駆動電流、レーザのパルス点灯時間、カメラ露光時間、あるいはこれらを組み合わせた要素を変化させることにより調整することができる。レーザ発生素子と光センサの両方を用いて制御する場合は、入射光量の調整幅が拡大して、より大きなダイナミックレンジを持つようにすることができる。
【００１２】
スキャニング機構に揺動角度センサを備えたスキャニングミラーを使用するときは、角度センサにより揺動角度を検出してレーザ光放射方向を画定して、以前に同じ位相角を取った時における検出光量を入射光量調整のために用いる規準受光量として、入射光量の調整をすることができる。
なお、スキャニングミラーを揺動させてスキャンする方式では、往路と復路では交互に出現し対称的な動きを示すので、往復共に対象物の表面輪郭測定を行うことができる。この場合は、往路と復路それぞれ独立に揺動角毎の受光量を評価して入射光量を調整することが好ましい。
【００１３】
レーザ照射位置毎の反射位置は光に感応した受光素子の位置から求められる。従って、一定の入射光量があれば１次元光センサ全体の受光量は一定になる。そこで、１次元光センサを構成する受光素子の全素子の出力を総合した、積算値あるいは平均値などをもって入射光量調整の規準受光量としてもよい。
もちろん、簡単のため、受光素子のうち最高強度を示す素子の検出光量とすることもできる。
【００１４】
さらにまた、入射光量調節器は、受光光量に対応する調整量を記載した変換テーブルを記憶する記憶装置を備え、この変換テーブルを参照して入射光量の調整を行うようにしてもよい。対象物の材質や形状によって、関数関係が異なるため場合によって適切な関数を選択して使用することが好ましいからである。また、対象が変化したときにも、ソフトウエア手段によって容易に適当な関数を設定することができるので、広く種々の対象に対処することができる。
なお、入射光量調整値は、前回のスキャニングで同じ照射方向であったときに得られた受光量情報を処理して算出すればよいので、個々の演算はスキャニングの１周期の間に行えばよい。したがって、測定結果入力処理と調整値演算を並列的に実行することができる。
【００１５】
さらに、本発明における課題を解決するため、本発明の断面形状計測装置は、レーザ放射装置に半導体レーザ発生素子を用いたものであって、半導体レーザ発生素子の筐体に温度検出素子と熱移動素子を密着させ、これらと接続された温度調節器を備える。この温度調節器は、温度検出素子の出力に基づいて熱移動素子の発吸熱量を調整することにより、半導体レーザ発生素子を所定の温度に保持するようにする。すると、半導体レーザ発生素子の特性の温度変動を抑制するため、１次元光センサに設けるバンドパスフィルターの透過波長幅をより狭くすることができ、環境から漏れ込むノイズ光の影響を除去することができるので、光センサの測定出力のＳＮ比が著しく改善され、輪郭線が鮮鋭になり正確な輪郭線を得て精度よく対象物表面形状を画定することができるようになる。
【００１６】
熱移動素子にペルチェ効果素子を利用すると、電流の向きを制御することにより加熱と冷却のいずれも可能になるので便利である。
このような半導体レーザ発生素子の温度管理と入射光量の調整を併せて採用することにより、溶接部近傍の高温環境中に装置を置いて倣い溶接する場合にも、より精度の高い輪郭測定が可能となり、高品質の溶接を行うことができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について実施例に基づき図面を参照して詳細に説明する。
図１は本実施例の断面形状計測装置のブロック図、図２は本実施例に用いられるセンサヘッドの構成を示す概念図、図３は本実施例における画像合成結果の例を表す図面、図４は本実施例におけるレーザ走査方向の受光量変化の例を表す分布図、図５は本実施例で制御量を求めるために用いる変換テーブルの例を示す図面、図６は本実施例における入射光量制御手順を説明するフロー図、図７は画像スキャンと制御量決定タイミングの関係を説明する図面、図８は本実施例に使用するレーザ投光器の温度制御系のブロック図、図９はレーザ投光器の温度制御に使用するペルチェ素子の原理図、図１０はレーザ投光器の温度制御の効果を説明するレーザ波長分布とバンドパスフィルタの波長特性の関係を示した図面である。
【００１８】
本実施例の断面形状計測装置は、図１に示すように、レーザセンサのセンサヘッド１とコントローラ２とディスプレー３から構成され、測定対象物４の表面形状を測定する。
レーザヘッド１の内には、図２に示すように、レーザ投光器１１と１次元光センサ１２とスキャニングミラー１３が組み込まれている。レーザ投光器１１は、半導体レーザ発生素子を利用して波長６９０ｎｍの赤色レーザを発生する。発生したレーザビームは、測定対象４に照射される。測定対象４の表面で反射した光は、集光光学系１４を介して１次元光センサ１２に入射する。
【００１９】
なお、１次元光センサの入射光路中には、照射したレーザ光の波長を挟んだ領域を透過するバンドパスフィルタが設けられていて、周囲から侵入するノイズ光を排斥して信号雑音比を向上させ、より精度の高い測定ができるようにしてある。
１次元光センサ１２は、ＣＣＤ素子を多数直線上に配列したリニアセンサで、集光光学系１４によりレーザ反射光をセンサに入射させると、集光光学系１４の光学中心とレーザ照射位置を結んだ直線上にあるＣＣＤ素子に光が照射するので、受光したＣＣＤ素子の位置がレーザ照射位置に対応することになり、入射光量が大きい素子の配列上の位置に基づいて物体の表面位置を知ることができる。
【００２０】
物体の断面形状を計測するためには、上記三角測量を用いた測定機構を切断面方向に走査し、走査線に沿って位置測定結果を配置する必要がある。この目的でスキャニングミラー１３がレーザ光路中に介装されている。レーザ投光器１１から放射されるレーザビームを屈折して測定対象４に照射し、測定対象の表面で反射して戻ってくる光を再び屈折して１次元光センサ１２に入射させる。スキャニングミラー１３は、揺動軸１５を中心として往復動するので、レーザ光は揺動軸に垂直の方向に走査し、表面位置測定結果は走査方向に沿って順次取得される。なお、図には示していないが、スキャニングミラー１３の揺動は正弦波関数的変化をするため時間とレーザ照射方向は必ずしもリニアの関係にないので、スキャニングミラー反射面の向きを実際に検出して測定方向を画定するようにして測定精度を確保している。
【００２１】
上記構成により、１回の走査により１個の断面形状計測ができ、計測装置を移動させながら連続的に走査を繰り返すことにより、対象物の表面形状を面として計測することができる。
図３は、１回のレーザスキャンにより得られる１個の断面形状計測結果を表示した例を示す図面である。
スキャニングミラー１３がある角度を持っているときに対象物表面に現れる光点から計器までの距離は、受光量が大きなＣＣＤ素子のリニア光センサ１２中の素子列中の位置を用いた三角測量法により求めることができる。受光した素子の位置は、光センサを走査して各素子毎の出力を観察することにより求めることができる。
【００２２】
さらに、スキャニングミラー１３を揺動させて測定範囲全域にわたってスキャンし、所定の照射角毎に上記計測を繰り返した結果を表示画面に展開して示すと、図３に示すような光点が連続した輪郭線が現れる。この輪郭線は、対象物の１断面について、スキャニングミラーの揺動軸１５から対象物表面までの距離を放射状に計測した結果を表すことになる。
実際の断面形状情報は、ミラー表面の向きに関する情報を用い、簡単な変換処理を行うことによって、たとえば１平面からの高さで表した輪郭として与えることが好ましい。
【００２３】
また、対象物１４の表面特性は一定でないため、同じ強度の光を照射すると場所により表面反射率や反射面の傾きが異なり光センサに入射する反射光の強度が変化する。
たとえば、対象物の表面が入射レーザ光に対して傾いているときには、面積当たりの入射光が弱くなり、光センサがキャッチする反射散乱光エネルギは小さくなる。このため、ＣＣＤ素子における蓄積電荷量が少なくなり、閾値の設定によっては輪郭線が途切れる場合もある。また、対象物表面の光吸収率が高い場合は光センサに入射する光が少なくなって輪郭線の検出が困難になる。さらに、光反射率が高い場合にも面の向きによっては光センサに入射する光が少なくなる。
一方、対象物表面状態によっては大きな光エネルギーが光センサに入射して、ＣＣＤ素子が飽和したり近隣の多数のＣＣＤ素子が検出出力を生じて太い検出帯になったりして、正確な表面位置を知ることが難しくなる。
【００２４】
光センサのＣＣＤ素子の出力をレーザ光の走査方向にプロットすると、明るさ評価値である入射光強度が、たとえば図４に示すように、変化することが分かる。プロットする出力値は、ＣＣＤ素子が１列に並んだ光センサ全体について出力を積算した値あるいはＣＣＤ素子の出力平均値であってもよく、また１列中の最大出力を有するＣＣＤ素子の出力値であってもよい。
本実施例の断面形状計測装置では、明るさ評価値に所定の基準値を設定して、基準値より高い明るい領域についてはＣＣＤ素子に入射する光量を低下させ、基準値より低い暗い領域についてはＣＣＤ素子入射光量を増加させるように調整している。
【００２５】
なお、調整は、ＣＰＵボード２１、画像入力ボード２２、インターフェースボード２３、これらを連結するバス２４などを備えたコントローラ２によって、前回のレーザ光スキャンにおいて同じ照射角位相を持つときに得られた光センサ受光量を明るさ評価値として、この評価値が基準値に近づく方向にレーザ発生素子の出力や光センサの露光条件を調整することによって行われる。
レーザ光スキャンは極めて高速で繰り返されるため、前回のスキャンと今回のスキャンでは測定対象位置が余り変化しないので、前回の測定条件に基づいた改善動作により今回の測定条件を改善することができる。
また、測定装置が移動して測定位置が変化するにつれて、測定対象の表面性状が変化するが、前回のスキャンで得られた測定結果を利用するので、位置変化に追従した的確な調整をすることができる。
【００２６】
図５は、本実施例で行う調整の手順を表す。
すなわち、計測が始まると、初めの条件に基づいて１断面についてレーザをスキャンさせる。初めにレーザビームを測定対象領域に照射し（Ｓ１）、各照射点について光センサの測定結果を記録し（Ｓ２）、第１回目のレーザ光スキャンが終了したか否かを判定する（Ｓ３）。終了しない限り上記ステップＳ１、Ｓ２を繰り返し、１画面分の情報を取得した後にステップＳ４に進む。
【００２７】
１回のレーザ光スキャンが終了すると、図３に示したような断面輪郭線が得られるので、輪郭線情報を画像入力ボード２２で取り込み、ＣＰＵボード２１に設けられる画像処理回路によって、取り込んだ輪郭線情報に対して変換処理などを含む画像処理を施して、実空間における対象物表面形状を表す情報とする。
対象物表面形状の情報はインターフェースボード２３に送られ、ディスプレー３に表示されたり、図外の溶接倣い制御装置に供給される。また、画像処理によって求められたスキャンラインに沿った明るさ分布を検出し（Ｓ５）、明るさ評価値を基準値と比較し、その偏差に基づいて光センサ１に入射する光量を調整するための指令値を算出する（Ｓ６）。
【００２８】
１次元光センサの入射光量は、レーザ投光器１１の入力電流、レーザのパルス点灯のデューティ比、１次元光センサ１２の露光時間などを調整することにより、あるいはこれらの組合せにより制御することができる。
計測対象４の性状や、１次元光センサ１２やレーザ投光器１１の特性の影響により、図６（ａ）（ｂ）（ｃ）に概念的に示したように、それぞれの操作量と１次元光センサ１２の入射光量の間にはそれぞれ異なる関数関係を有するので、予め求めた変換テーブルあるいは計算式をＣＰＵボード２１に備えた記憶装置に保持しておいて、この変換テーブルや計算式を参照してそれぞれに適当な調整値を求める必要がある。
【００２９】
このようにして準備した調整値の列を用いて、レーザスキャンの各タイミング毎にレーザ投光器１１の光出力制御を行って、レーザビームを放射させ対象物４に照射する（Ｓ７）。また、レーザスキャンの各タイミング毎に、１次元光センサ１２のＣＣＤ素子列について画像データを取り込む（Ｓ８）。
１次元光センサ１２は調整値を用いてたとえばシャッタスピードを調整し、露光時間制御を行ったものであってもよい。レーザ投光器１１と１次元光センサ１２の両方を用いて入射光量調整を行う場合は、調整範囲が極めて大きくなる利点がある。
【００３０】
１断面についてレーザ光スキャンが終了したか否かを判定し、終了しない限り上記ステップＳ７、Ｓ８を繰り返し、１画面分の情報を取得し終えたらステップＳ４に進んで（Ｓ９）、断面形状表示や溶接制御装置への形状情報提供を行い（Ｓ４）、さらに次回のレーザスキャンのための調整値を準備する（Ｓ５、Ｓ６）。
光点距離は通常、図７に示すように、往復動するスキャンイングミラー１３によりレーザビームが対象を走査する間の往路または復路の一方のみを使い、比較的速度が一定している部分で計測するように構成されている。したがって、制御機構に供給する調整値は、前回のスキャニングで光センサ１２が光点距離測定が終了した後、スキャニングミラー１３が計測開始位置に戻る間に算出しておいて、次の画像計測が始まる時には全て準備されていることが好ましい。
【００３１】
ただし、実際に調整を行うのは、スキャニング中の各位相位置にあるときであるから、その時までに調整データが整っていれば足りるので、計測結果を演算装置に逐次取り込み並列的に調整値を算出して制御機構に供給するようにしてもよいことはいうまでもない。
また、スキャニングミラー１３の往路と復路の両方で断面形状を計測するようにすれば、測定密度が倍増するのでより綿密な形状計測ができる。往復両方で計測するようにした場合は、往路と復路ではスキャン方向が逆転するので、それぞれ別々に調整値を算出して調整値データ列が同じ方向に並ぶようにすることが演算および装置制御の単純化のために好ましい。
【００３２】
なお、半導体レーザ素子は温度により特性が著しく変化するため、安定して使用できる範囲がたとえば０−４０℃の間に制約される上、可用範囲内でもレーザ光のピーク波長が変動する。ところが、溶接装置に使用する断面形状計測装置は、溶接部のごく近傍にセンサ類を配置して使用しなければならないため、測定中は高温に晒され温度管理が難しい。
したがって、半導体レーザ発生器を組み込んだレーザ投光器を用いるときには、レーザ光波長を挟んだ領域を透過させるバンドパスフィルタはピーク波長の変動を見込んで設定するため、透過波長幅をたとえば２０ｎｍ程度までしか狭めることができず、高精度の測定結果を得ることが難しい場合がある。
また、寒冷時の始動など装置温度が可用範囲に入らない場合には測定ができないことがある。
【００３３】
そこで、本実施例の断面形状計測装置では、半導体レーザ発生器の温度を一定に制御することにより、バンドパスフィルタの透過幅を狭隘化することを可能にしてノイズ光の侵入を抑制し、測定精度をより向上させるようにすることができる。また、環境温度が低すぎる場合にも正しく測定することができる。
レーザ投光器の温度制御系は、図８に示すように、半導体レーザ発生器が組み込まれたレーザ投光器の筐体５１に貼付した熱電対やサーミスタなどの温度測定素子５２とペルチェ素子などの熱移動素子５６、およびこれらを接続する温度調整器５３とから構成される。
【００３４】
温度調整器５３は、温度比較回路５４と印加電流調整回路５５を備え、温度測定素子５２の出力を温度信号に変換して目標温度値と比較し、偏差に基づいて算出した電流値を熱移動素子５６に供給する。
温度制御系には遅れ要素が存在するため、通常はＯＮ／ＯＦＦ制御により印加電流を調整すれば十分で、制御論理は極めて単純である。なお、いわゆる時間比例式ＯＮ／ＯＦＦ制御を採用して、偏差が大きい時にはＯＮ／ＯＦＦの一方を選択するが小さい時には切替え間隔を短くするようにして、実効的なエネルギ供給量を偏差に対して比例的に変化させるようにすると、温度変動をより効果的に抑えて高精度な温度制御を達成することができる。
温度調整器５３は、マイコンなどの電子計算機能を備えた装置により構成することができ、コントローラ２のＣＰＵボード２１に組み込むことも可能である。
【００３５】
ペルチェ素子は、ペルチェ効果に差のある２種の半導体Ａ，Ｂを図９に示すように交互に直列接続し、交互の接続面の一方を表面に他方を裏面として電気絶縁層Ｃで挟み、端子Ｔを直流電源に接続して熱電冷却素子として使用することができる。このようなペルチェ素子は、両端子Ｔに印加する電流の極性を変化させることで加熱と冷却を切替えることができるので、熱移動素子５６として使用するとレーザ投光器の温度管理をより高度に行うことができる。
【００３６】
上記温度制御系によりレーザ投光器の出力を安定させることにより、図１０に示すように、レーザ光のピーク波長が変動しなくなるので、光センサ１２に仕込む光学フィルタの帯域幅を５ｎｍ程度に狭域化することができる。
図１０は上段にレーザ投光器が放射するレーザ光の波長分布を示し、下段にレーザ光を透過し外光ノイズを遮断するためのバンドパス光学フィルタの透過波長領域を示す。図中、温度制御がなかった状態を点線で示し、温度制御系を導入した結果を実線で示す。
【００３７】
半導体レーザ発生器の可用温度範囲内であっても、ピーク波長は２０ｎｍ程度変動するので、これを透過させるためバンドパス幅はやはり２０ｎｍ程度必要とされる。しかし、レーザ投光器１１の温度管理を行えば、ピーク波長は変動しなくなるので、レーザ光の広がりをカバーできる程度の透過幅、たとえば５ｎｍ程度の透過幅を持てばよくなる。
このため、フィルタを透過する外乱光の絶対量が減少し、透過光におけるレーザ光の割合が増大し、ＳＮ比が大幅に改善される。したがって、輪郭線を判定するための閾値を厳しく設定しても誤検出が少なくなるので、ＣＣＤセンサの受光量の基づいて入射光量を調整する機構と協働して、より鋭い輪郭線を生成して検出することにより、極めて高精度な形状計測ができるようになる。
【００３８】
また、外気温度が極く低温である状態で始動させるときにも、レーザ投光器１１の温度が管理されているため、測定が不能になることはなくなる。
なお、温度検出端と熱移動素子はできるだけ半導体レーザ発生器に近いところに設置して、直接的に作用するようにすることが好ましい。
従来のレーザ投光器を使用する場合にも、これら要素を付設することにより簡単に温度制御系を構成することができる。
レーザ投光器の温度調整系は入射光量調整機構と独立に使用しても、一定の精度向上効果が得られることはいうまでもない。
【００３９】
本実施例の断面形状計測装置は、前回のスキャニングで得られた計測結果を利用して、反射光が明るい部分ではセンサの入射光量を抑制し、反射光が暗い部分では入射光量が増大するようにするので、対象部分の性状の変化にかかわらず取得する光点画像の大きさが変化せず、輪郭線を的確に画定することができ、精度の高い断面形状計測を行うことができる。
また、入射光量の調整に使用する変換テーブルや計算式をソフトウエアとして記憶装置に格納して利用することにより、テーブルや式の変更を簡単に行うことができるので、対象が変化した場合や変換テーブルなどを修正する場合などにも容易に対処することができる。
【００４０】
なお、上記実施例の説明では、前回のスキャニングで得られた測定データを用いて調整値を算出したが、現在の測定と状態が変化していないと見ることができる程度の過去のデータであればよく、直近のデータでなくてもよいことはいうまでもない。
また、本実施例の断面形状計測装置は、従来使用してきた倣い溶接装置にコントローラや温度調整システムなどを付加することにより容易に構成することができる。
なお、ここでは赤色レーザを用いた場合について記述したが、赤外線など他の領域の光線を使用してもよいことはいうまでもない。
【００４１】
【発明の効果】
以上説明した通り、本発明の断面形状計測装置は、自動倣い溶接装置など溶接部に接近して設けられるビームスキャン型レーザセンサに適用することにより、測定対象部位の条件変化によりセンサに入射する反射光が変動する場合にも、溶接形状を高精度で計測でき、また、半導体レーザ発生素子を使用した場合にも、精度よく形状計測できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例における断面形状計測装置のブロック図である。
【図２】本実施例に用いられるセンサヘッドの構成を示す概念図である。
【図３】本実施例における画像合成結果の例を表す図面である。
【図４】本実施例におけるレーザ走査方向の受光量変化の例を表す分布図である。
【図５】本実施例で制御量を求めるために用いる変換テーブルの例を示す図面である。
【図６】本実施例における入射光量制御手順を説明するフロー図である。
【図７】画像スキャンと制御量決定タイミングの関係を説明する図面である。
【図８】本実施例に用いるレーザ投光部温度制御系のブロック図である。
【図９】熱移動素子として利用するペルチェ素子の構造を説明する概念図である。
【図１０】図８の温度制御の効果を説明する図面である。
【符号の説明】
１  レーザセンサのセンサヘッド
２  コントローラ
３  ディスプレー
１１  レーザ投光器
１２  １次元光センサ
１３  スキャニングミラー
４  測定対象
１４  集光光学系
１５  揺動軸
２１  ＣＰＵボード
２２  画像入力ボード
２３  インターフェースボード
２４  バス
５１  レーザ投光器筐体
５２  温度測定素子
５３  温度調整器
５４  温度比較回路
５５  印加電流切替回路
５６  熱移動素子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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