(57)【要約】【課題】機構部への負担を軽減して信頼性を向上させるガルバノスキャナを提供する。【解決手段】ガルバノスキャナ５０は、加工対象Ｗにおける加工位置指令を回転モータ５３、５４及び直動機構５６への移動指令に変換する。また、直動機構５６への移動指令が、回転モータ５３、５４への移動指令に依存するものであって、所定の振幅以下の振幅範囲内で、かつ所定の周波数以上の周波数範囲内である微弱直動成分を含む場合に、この微弱直動成分を直動機構５６への移動指令から除去した上で、回転モータ５３、５４及び直動機構５６への移動指令に対応する制御信号を出力する。さらに、この制御信号に基づいて回転モータ５３、５４及び直動機構５６を制御する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光源から出射されるレーザ光を反射するミラーと、前記ミラーを回転駆動する回転モータと、前記レーザ光源から出射されるレーザ光の光軸方向に移動可能なレンズと、前記レンズを駆動する直動機構と、を有し、前記レーザ光源から出射されるレーザ光を、前記ミラーで反射するとともに、前記レンズを透過させることにより、加工対象に対してレーザ光を走査するガルバノスキャナであって、
前記加工対象における加工位置指令を前記回転モータ及び前記直動機構への移動指令に変換する変換部と、
前記直動機構への移動指令が、前記回転モータへの移動指令に依存するものであって、所定の振幅以下の振幅範囲内で、かつ所定の周波数以上の周波数範囲内である微弱直動成分を含む場合に、この微弱直動成分を前記直動機構への移動指令から除去した上で、前記回転モータ及び前記直動機構への移動指令に対応する制御信号を出力する制御フィルタ部と、
前記制御フィルタ部が出力した制御信号に基づいて前記回転モータ及び前記直動機構を制御する制御部と、
を備える、ガルバノスキャナ。
【請求項２】
前記制御フィルタ部によって除去される前記直動機構への移動指令の微弱直動成分は、その波形が正弦波、三角波、矩形波又は鋸波である、請求項１に記載のガルバノスキャナ。
【請求項３】
前記制御フィルタ部は、前記変換部が前記加工対象における加工位置指令を前記回転モータ及び前記直動機構への移動指令に変換した後に、前記直動機構への移動指令の微弱直動成分を前記直動機構への移動指令から除去する、請求項１又は２に記載のガルバノスキャナ。
【請求項４】
前記制御フィルタ部は、前記変換部が前記加工対象における加工位置指令を前記回転モータ及び前記直動機構への移動指令に変換する前に、前記直動機構への移動指令の微弱直動成分を前記直動機構への移動指令から除去する、請求項１又は２に記載のガルバノスキャナ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガルバノスキャナに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、多軸ロボットのアームの先端に、ガルバノスキャナを有するレーザヘッドを備えるレーザ溶接装置が知られている。ここで、ガルバノスキャナとは、互いに直交する２つの回転軸（Ｘ軸、Ｙ軸）のまわりにそれぞれ回転可能な２つのミラーを備え、これらのミラーをサーボモータで回転駆動することにより、レーザ光源から出射されるレーザ光を走査する装置である（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
こうしたレーザ溶接装置において、例えば、ウィービング溶接やウォブリング溶接のように、Ｘ方向、Ｙ方向の微小範囲においてスポットを高速周期で稲妻形（ジグザグ）に往復移動させながら溶接する場合、レーザ光のエネルギー密度を高めるべく、レーザ光の焦点のずれ（光軸方向のずれ）を補正するには、Ｘ方向、Ｙ方向の移動に追従してＺ方向のレンズをレーザ光の光軸方向に駆動するように制御するのが一般的である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−４３４０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、一般的に、ミラーを駆動するだけのＸ軸やＹ軸は、イナーシャ（慣性）が小さいため、応答性が高い。これに対して、レンズを駆動しなければならないＺ軸は、イナーシャが大きいため、応答性が低い。したがって、Ｘ軸、Ｙ軸が追従できる高速周期であっても、Ｚ軸に対しては機構部への負担が相対的に大きくなり、ひいては、ガルバノスキャナとしての信頼性が低下する恐れがある。
【０００６】
なお、特許文献１には、単に、プリント基板用レーザ加工装置などのガルバノ装置における固有振動の振動を抑制し、高速高精度化、長寿命化を実現する技術が開示されているに過ぎない。
【０００７】
本発明は、このような事情に鑑み、機構部への負担を軽減して信頼性を向上させることが可能なガルバノスキャナ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】
【０００８】
（１）本発明に係るガルバノスキャナ（例えば、後述のガルバノスキャナ５０）は、レーザ光源（例えば、後述のレーザ光源４）から出射されるレーザ光（例えば、後述のレーザ光Ｌ）を反射するミラー（例えば、後述の第１ミラー５１、第２ミラー５２）と、前記ミラーを回転駆動する回転モータ（例えば、後述の回転モータ５３、５４）と、前記レーザ光源から出射されるレーザ光の光軸方向に移動可能なレンズ（例えば、後述のレンズ５５）と、前記レンズを駆動する直動機構（例えば、後述の直動機構５６）と、を有し、前記レーザ光源から出射されるレーザ光を、前記ミラーで反射するとともに、前記レンズを透過させることにより、加工対象（例えば、後述のワークＷ）に対してレーザ光を走査するガルバノスキャナであって、前記加工対象における加工位置指令を前記回転モータ及び前記直動機構への移動指令に変換する変換部（例えば、後述の変換部５８）と、前記直動機構への移動指令が、前記回転モータへの移動指令に依存するものであって、所定の振幅以下の振幅範囲内で、かつ所定の周波数以上の周波数範囲内である微弱直動成分を含む場合に、この微弱直動成分を前記直動機構への移動指令から除去した上で、前記回転モータ及び前記直動機構への移動指令に対応する制御信号を出力する制御フィルタ部（例えば、後述の制御フィルタ部５９）と、前記制御フィルタ部が出力した制御信号に基づいて前記回転モータ及び前記直動機構を制御する制御部（例えば、後述の制御部５７）と、を備える。
【０００９】
（２）  （１）のガルバノスキャナにおいて、前記制御フィルタ部によって除去される前記直動機構への移動指令の微弱直動成分は、その波形が正弦波、三角波、矩形波又は鋸波であってもよい。
【００１０】
（３）  （１）又は（２）のガルバノスキャナにおいて、前記制御フィルタ部は、前記変換部が前記加工対象における加工位置指令を前記回転モータ及び前記直動機構への移動指令に変換した後に、前記直動機構への移動指令の微弱直動成分を前記直動機構への移動指令から除去してもよい。
【００１１】
（４）  （１）又は（２）のガルバノスキャナにおいて、前記制御フィルタ部は、前記変換部が前記加工対象における加工位置指令を前記回転モータ及び前記直動機構への移動指令に変換する前に、前記直動機構への移動指令の微弱直動成分を前記直動機構への移動指令から除去してもよい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、加工対象に対してレーザ光を走査する際に、機構部への負担を軽減して信頼性を向上させることが可能なガルバノスキャナを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の第１実施形態に係るリモートレーザ溶接システムの外観図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係るリモートレーザ溶接システムの光学系を示す図である。
【図３】本発明の第１実施形態に係るガルバノスキャナの制御ブロック図である。
【図４】Ｘ方向に揺動しながらＹ方向に一定の速度で進む場合に、Ｘ方向の加工位置指令とＹ方向の加工位置指令との対応関係を示すグラフである。
【図５】Ｘ方向に揺動しながらＹ方向に一定の速度で進む場合に、Ｘ方向、Ｙ方向及びＺ方向の加工位置指令それぞれの経時変化を示すグラフである。
【図６】本発明の第１実施形態に係るリモートレーザ溶接システムにおいて、ワークをウィービング溶接する際の手順を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
［第１実施形態］
図１は、本発明の第１実施形態に係るリモートレーザ溶接システムの外観図である。図２は、本発明の第１実施形態に係るリモートレーザ溶接システムの光学系を示す図である。図３は、本発明の第１実施形態に係るガルバノスキャナの制御ブロック図である。図４は、Ｘ方向に揺動しながらＹ方向に一定の速度で進む場合に、Ｘ方向の加工位置指令とＹ方向の加工位置指令との対応関係を示すグラフである。図５は、Ｘ方向に揺動しながらＹ方向に一定の速度で進む場合に、Ｘ方向、Ｙ方向及びＺ方向の加工位置指令それぞれの経時変化を示すグラフである。
【００１５】
この第１実施形態に係るリモートレーザ溶接システム１は、図１及び図２に示すように、多軸ロボット３と、レーザ光源４と、多軸ロボット３のアーム３１の先端に設けられたレーザヘッド５と、を備える。このリモートレーザ溶接システム１は、多軸ロボット３の動作により、アーム３１の先端のレーザヘッド５を搬送し、加工対象としての自動車ボディ等のワークＷの突合せ加工点（突合せ溶接点）に向けて、レーザヘッド５からレーザ光Ｌを揺動させながら照射することで、ウィービング溶接を実行する。
【００１６】
なお、このウィービング溶接は、図４及び図５に示すように、直線状の溶接部に対してスポットを稲妻形に往復移動させる場合のみならず、曲線状（例えば、円形、楕円形、放物線など）の溶接部に対してスポットを稲妻形に往復移動させる場合をも含む概念を指す。
【００１７】
多軸ロボット３は、図１に示すように、基部３０と、アーム３１と、複数の軸３２ａ〜３２ｅと、各軸を駆動するサーボモータからなるロボットモータ（図示せず）と、を備える。多軸ロボット３は、ロボット制御部（図示せず）により、その動作が制御される。
【００１８】
レーザ光源４は、図２に示すように、レーザ媒質、光共振器及び励起源等を備える種々のレーザ発振器から構成される。レーザ光源４は、レーザ光Ｌを生成し、生成したレーザ光Ｌを後述のガルバノスキャナ５０に向けて出射する。
【００１９】
レーザヘッド５は、ワークＷの突合せ加工点（突合せ溶接点）に対してレーザ光Ｌを走査するためのガルバノスキャナ５０を有する。ガルバノスキャナ５０は、図２に示すように、レーザ光源４から出射されるレーザ光Ｌを順次反射させる２つのミラーとしての第１ミラー５１及び第２ミラー５２と、第１ミラー５１及び第２ミラー５２のそれぞれを各回転軸Ｘ１、Ｘ２のまわりに回転駆動する２つの回転モータ５３、５４と、を備える。また、ガルバノスキャナ５０は、レーザ光源４から出射されるレーザ光Ｌの光軸方向に移動可能なレンズ５５と、レンズ５５を駆動する直動機構５６と、を備える。
【００２０】
さらに、ガルバノスキャナ５０の制御系は、図３に示すように、制御部５７、変換部５８及び制御フィルタ部５９が内蔵されて構成される。
【００２１】
ここで、制御部５７は、所定の制御信号に基づいて、回転モータ５３、５４及び直動機構５６を制御する。また、変換部５８は、ワークＷにおける加工位置指令を回転モータ５３、５４及び直動機構５６への移動指令に変換する。その具体的な方法については、後述する。さらに、制御フィルタ部５９は、直動機構５６への移動指令を分析し、その結果に基づいて、制御信号を適宜加工してから制御部５７に出力する。その具体的な方法については、後述する。
【００２２】
次に、このリモートレーザ溶接システム１において、ワークＷをウィービング溶接する際の手順について説明する。図６は、この手順を示すフローチャートである。
【００２３】
まず、ステップＳ１において、オペレータは、図示しない入力装置を操作して、ワークＷにおける加工位置指令をガルバノスキャナ５０に入力する。具体的には、オペレータは、図２に示すように、ワークＷに３次元の直交座標系（ＸＹＺ座標系）を導入し、この直交座標系において、レーザ光Ｌの焦点位置（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を逐次指定することにより、この加工位置指令を入力する。ウィービング溶接の場合、Ｘ方向の加工位置指令及びＹ方向の加工位置指令をプロットすると、例えば、図４に示すように、Ｘ方向に揺動しながらＹ方向に一定の速度で進むような稲妻形になる。
【００２４】
次に、ステップＳ２において、このワークＷにおける加工位置指令を受けて、ガルバノスキャナ５０の変換部５８は、この加工位置指令を回転モータ５３、５４及び直動機構５６への移動指令に変換する。具体的には、ワークＷにおける加工位置指令が、上述したように、３次元の直交座標系において、レーザ光Ｌの焦点位置（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を逐次指定することによって入力された場合には、ガルバノスキャナ５０の変換部５８は、例えば、数１に示す数式を用いて、この焦点位置（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を回転モータ５３、５４及び直動機構５６の動作位置（θx，θy，z）に変換する。ここで、θxは、第２ミラー５２の角度位置に相当し、θyは、第１ミラー５１の角度位置に相当する。また、zは、レンズ５５の移動位置に相当する。
【００２５】
【数１】
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【００２６】
なお、この変換方法については、例えば、Optics ＆ Laser Technology 37 (2005) pp.305‐311 その他の公知文献に開示されているので、ここではその詳細な説明を省略する。
【００２７】
その後、ステップＳ３において、ガルバノスキャナ５０の制御フィルタ部５９は、直動機構５６への移動指令が、回転モータ５３、５４への移動指令に依存するものであって、所定の振幅以下の振幅範囲内で、かつ所定の周波数以上の周波数範囲内である微弱直動成分を含むか否かを判定する。なお、この微弱直動成分の実際の波形は、正弦波、三角波、矩形波又は鋸波であることが多いと考えられる。
【００２８】
この判定の結果、直動機構５６への移動指令が、こうした微弱直動成分を含まない場合（ステップＳ３：ＮＯ）、制御フィルタ部５９は、回転モータ５３、５４及び直動機構５６への移動指令に対応する制御信号をそのまま（何ら加工せずに）制御部５７に出力した後、処理をステップＳ５に移行させる。
【００２９】
一方、直動機構５６への移動指令が、こうした微弱直動成分を含む場合（ステップＳ３：ＹＥＳ）、処理をステップＳ４において、制御フィルタ部５９は、この微弱直動成分を直動機構５６への移動指令から除去した上で、回転モータ５３、５４及び直動機構５６への移動指令に対応する制御信号を制御部５７に出力した後、処理をステップＳ５に移行させる。このとき、直動機構５６への移動指令は、元々、図５の下段のグラフに実線で示すように、曲線状であったものが、図５の下段のグラフに破線で示すように、微弱直動成分が除去されて直線状になる。
【００３０】
ここで、この微弱直動成分を振幅及び周波数の両方で規定する理由は、次のとおりである。すなわち、微弱直動成分が所定の周波数以上であっても、この微弱直動成分の振幅があまり大きいと、ワークＷの立体形状によっては、レーザ光Ｌの焦点が大幅にずれるため、レーザ光Ｌのエネルギー密度が低下してワークＷの溶接品質が低下する恐れがあることから、この微弱直動成分を除去するのは妥当ではないからである。また、微弱直動成分が所定の振幅以下であっても、この微弱直動成分の周波数があまり小さいと、ワークＷの立体形状によっては、レーザ光Ｌの焦点がずれた状態が長時間にわたって継続される恐れがあることから、この場合も、この微弱直動成分を除去するのは妥当ではないからである。
【００３１】
最後に、ステップＳ５において、この制御信号を受けて、ガルバノスキャナ５０の制御部５７は、この制御信号に基づいて、レーザ光源４からレーザ光Ｌが出射されるタイミングに合わせて、回転モータ５３、５４及び直動機構５６を制御する。その結果、ワークＷに対して、図４に示すように、稲妻形の経路に沿ってレーザ光Ｌが照射され、ウィービング溶接が実行される。
【００３２】
このとき、直動機構５６への移動指令は、ワークＷの品質低下につながらない微弱直動成分がある場合には、その微弱直動成分が除去されているので、レンズ５５を駆動する機構部である直動機構５６への負担を軽減し、ひいては、ガルバノスキャナ５０としての信頼性を向上させることができる。
【００３３】
ここで、リモートレーザ溶接システム１によるワークＷのウィービング溶接が終了する。なお、微弱直動成分が除去される場合には、それに伴ってレーザ光Ｌの焦点が多少ずれることになるが、ガルバノスキャナ５０のような長焦点の光学系においては、Ｘ方向、Ｙ方向の移動距離が小さいと、レーザ光Ｌの焦点が多少ずれても、ワークＷの溶接品質が低下するほどの影響は発生しない。
【００３４】
［その他の実施形態］
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は前述した実施形態に限るものではない。また、本実施形態に記載された効果は、本発明から生じる最も好適な効果を列挙したに過ぎず、本発明による効果は、本実施形態に記載されたものに限定されるものではない。
【００３５】
例えば、上述した第１実施形態では、ワークＷをウィービング溶接する際に、ガルバノスキャナ５０の変換部５８が、ワークＷにおける加工位置指令を回転モータ５３、５４及び直動機構５６への移動指令に変換した後に、ガルバノスキャナ５０の制御フィルタ部５９が、直動機構５６への移動指令の微弱直動成分を直動機構５６への移動指令から除去する場合について説明した。しかし、この微弱直動成分を除去する動作は、加工位置指令から移動指令への変換動作の前後を問わない。したがって、ガルバノスキャナ５０の変換部５８が、ワークＷにおける加工位置指令を回転モータ５３、５４及び直動機構５６への移動指令に変換する前に、ガルバノスキャナ５０の制御フィルタ部５９が、直動機構５６への移動指令の微弱直動成分を直動機構５６への移動指令から除去するようにしてもよい。
【００３６】
また、上述した第１実施形態では、ワークＷをウィービング溶接する場合について説明した。しかし、２方向（Ｘ方向、Ｙ方向）の微小範囲においてスポットを高速周期で稲妻形に往復移動させながら溶接するものであれば、ウィービング溶接に限らず、例えば、ウォブリング溶接にも、本発明を同様に適用することができる。
【００３７】
また、上述した第１実施形態では、制御部５７、変換部５８及び制御フィルタ部５９がガルバノスキャナ５０に内蔵されている場合について説明した。しかし、制御部５７、変換部５８及び制御フィルタ部５９の全部又は一部は、各種サーバに設けられていてもよい。
【００３８】
さらに、上述した第１実施形態では、リモートレーザ溶接システム１にガルバノスキャナ５０が組み込まれている場合について説明した。しかし、リモートレーザ溶接システム１以外の設備にガルバノスキャナ５０が組み込まれている場合にも、本発明を同様に適用することができる。
【００３９】
本発明に含まれる各種サーバの全部又は一部は、ハードウェア、ソフトウェア又はこれらの組合せにより実現することができる。ここで、ソフトウェアによって実現されるとは、コンピュータがプログラムを読み込んで実行することにより実現されることを意味する。ハードウェアで構成する場合、サーバの一部又は全部を、例えば、ＬＳＩ(Large Scale Integrated circuit)、ＡＳＩＣ(Application Specific Integrated Circuit)、ゲートアレイ、ＦＰＧＡ(Field Programmable Gate Array)等の集積回路（ＩＣ）で構成することができる。
【００４０】
本発明に含まれる各種サーバの備える機能の全部又は一部をソフトウェアで構成する場合、本発明に含まれる各種サーバの動作の全部又は一部を記述したプログラムを記憶した、ハードディスク、ＲＯＭ等の記憶部、演算に必要なデータを記憶するＤＲＡＭ、ＣＰＵ、及び各部を接続するバスで構成されたコンピュータにおいて、演算に必要な情報をＤＲＡＭに記憶し、ＣＰＵで当該プログラムを動作させることで実現することができる。
【００４１】
また、本発明に含まれる各種サーバの備える各機能を、適宜１つ又は複数のサーバ上で実行する構成としてもよい。また、クラウド上で仮想サーバ機能等を利用して、本発明に含まれる各種サーバの備える各機能を実現してもよい。
【００４２】
プログラムは、様々なタイプのコンピュータ可読媒体（computer readable medium）を用いて格納され、コンピュータに供給することができる。コンピュータ可読媒体は、様々なタイプの実体のある記録媒体（tangible storage medium）を含む。コンピュータ可読媒体の例は、磁気記録媒体（例えば、フレキシブルディスク、磁気テープ、ハードディスクドライブ）、光磁気記録媒体（例えば、光磁気ディスク）、ＣＤ−ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＣＤ−Ｒ、ＣＤ−Ｒ／Ｗ、半導体メモリ（例えば、マスクＲＯＭ、ＰＲＯＭ（Programmable ROM）、ＥＰＲＯＭ（Erasable PROM）、フラッシュＲＯＭ、ＲＡＭ（random access memory））を含む。
【符号の説明】
【００４３】
１……リモートレーザ溶接システム
４……レーザ光源
５０……ガルバノスキャナ
５１……第１ミラー（ミラー）
５２……第２ミラー（ミラー）
５３、５４……回転モータ
５５……レンズ
５６……直動機構
５７……制御部
５８……変換部
５９……制御フィルタ部
Ｌ……レーザ光
Ｗ……ワーク（加工対象）
【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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