(57)【要約】【課題】溶接部の溶け込み深さをより正確に測定することができる。【解決手段】レーザ光を被溶接材の溶接部に向けて照射するレーザ発振器と、レーザ光と同軸に重ね合わされて溶接部７ａに照射され、溶接部７ａで反射された、レーザ光とは波長の異なる物体光ＭＬＡと参照光ＭＬＢとの光路差によって生じる干渉に基づいて、溶接部７ａの溶け込み深さを測定する光干渉計８と、を有し、光干渉計８は、物体光ＭＬＡを伝搬する第１光ファイバ８４と、参照光ＭＬＢを伝搬する第２光ファイバ８５と、第１光ファイバ８４と第２光ファイバ８５の少なくとも一方の温度を調節する温調部９１，９２と、を備える。【選択図】  図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光を被溶接材の溶接部に向けて照射するレーザ出力手段と、
前記レーザ光と同軸に重ね合わされて前記溶接部に照射され、前記溶接部で反射された、前記レーザ光とは波長の異なる物体光と参照光との光路差によって生じる干渉に基づいて、前記溶接部の溶け込み深さを測定する光干渉計と、
を有し、
前記光干渉計は、前記物体光を伝搬する第１光ファイバと、前記参照光を伝搬する第２光ファイバと、前記第１光ファイバ及び／または前記第２光ファイバの温度を調節する温度調節部と、を備える、
レーザ溶接装置。
【請求項２】
前記温度調節部は、前記第１光ファイバと前記第２光ファイバとの温度差があらかじめ定められた所定値以下となるように、前記第１光ファイバ及び／または前記第２光ファイバの温度を調節する、
請求項１に記載のレーザ溶接装置。
【請求項３】
前記所定値は５℃である、
請求項２に記載のレーザ溶接装置。
【請求項４】
前記第１光ファイバが内部に配置された保護管をさらに備え、
前記温度調節部は、前記保護管の外側から前記第１光ファイバの温度を調節する、
請求項１から３のいずれか一項に記載のレーザ溶接装置。
【請求項５】
前記温度調節部は、前記保護管の外側に設けられた帯状ヒータである、
請求項４に記載のレーザ溶接装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、溶接部の溶け込み深さを評価する機能を有するレーザ溶接装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、溶接品質を評価するために、ワーク（被溶接部材）にレーザ光が照射されたときの溶け込み深さを直接測定する機能を有するレーザ溶接装置が知られている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、レーザ光と測定光とを同軸上に重ね合わせてワークの溶接部のキーホール内部に照射して、キーホールの底部で反射した測定光を、ビームスプリッタを介して光干渉計に入射させるようにした構成が開示されている。ここで、光干渉計では、測定光を、測定部に照射する物体光と光干渉計内を伝搬する参照光とに分岐し、異なる２つの光ファイバをそれぞれ伝搬する物体光と参照光との光路長の差を測定して、測定した光路長の差からキーホールの深さを、溶接部の溶け込み深さとして特定するようにしている。
【０００４】
具体的には、図１０に示すように、レーザ溶接装置１００において、レーザ発振器１０７からのレーザ光と同心・同軸上に重ね合わせるように、光干渉計１０５からの計測光を、第１ビームスプリッタ１０６によって物体光と参照光とに分け、被溶接材１０１の溶接部１０２に照射する。レーザ光により、溶接部１０２に溶融池１０３とキーホール１０４とが形成される。物体光は、キーホール１０４の底部１０４ａで反射し、第１ビームスプリッタ１０６を介し光干渉計１０５へ戻る。光干渉計１０５は、物体光の光路長と、参照光の光路長とを測定し、測定した光路長からキーホール１０４の深さを溶け込み深さとして特定する事ができる。このようにして特定した溶け込み深さに基づいて、レーザ溶接装置１００は、溶接部１０２の良否を判定する。
【０００５】
なお、図１０に示すように、レーザ溶接装置１００は、レーザ光伝送用光学系１０８、第１集光光学系１０９、移動ステージ１１０は、ステージコントローラ１１１、コンピュータ１１２、制御部（制御手段）１１２ａ、測定部１１２ｂ、評価部１１２ｃ、第２集光光学系１２０、干渉フィルタ１２１、及び表示部１２２を有する。
【０００６】
また、図１０に示すように、レーザ溶接装置１００の光干渉計１０５は、光ファイバ系１１４、第１光ファイバ系１１４ａ、第２光ファイバ系１１４ｂ、第１ファイバカプラ１１５、参照ミラー１１６、第２ファイバカプラ１１７、差動ディテクタ１１８、第１入力１１８ａ、第２入力１１８ｂ、及びＡ／Ｄ変換器１１９を有する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第５２５２０２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
一般的に、光ファイバは温度変化に伴って光伝搬特性が変化する。この光伝搬特性の変化は、光ファイバを構成するコアの材質や径、また被膜の材質や厚みに依存する応力の変化によるものである。このため、物体光を伝搬させる光ファイバと、参照光を伝搬させる光ファイバとの間に温度変化による光伝搬特性の変化が生じると、物体光の光路長と参照光の光路長に誤差が生じる。光路長に誤差が生じると、溶け込み深さの測定結果にも誤差が生じるため、改善が要望されている。
【０００９】
本発明はかかる点に鑑みてなされたもので、その目的は、溶接部の溶け込み深さをより正確に測定することができるレーザ溶接装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、本開示のレーザ溶接装置は、レーザ光を被溶接材の溶接部に向けて照射するレーザ出力手段と、前記レーザ光と同軸に重ね合わされて前記溶接部に照射され、前記溶接部で反射された、前記レーザ光とは波長の異なる物体光と参照光との光路差によって生じる干渉に基づいて、前記溶接部の溶け込み深さを測定する光干渉計と、を有し、前記光干渉計は、前記物体光を伝搬する第１光ファイバと、前記参照光を伝搬する第２光ファイバと、前記第１光ファイバ及び／または前記第２光ファイバの温度を調節する温度調節部と、を備える。
【００１１】
この構成によれば、物体光を伝搬する光ファイバと参照光を伝搬する光ファイバとに温度差がある場合に生じうる溶け込み深さの測定誤差を低減し、溶接部の品質の評価を高精度に行うことが可能となる。
【発明の効果】
【００１２】
本開示によれば、溶接部の溶け込み深さをより正確に測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本実施の形態に係るレーザ溶接装置の構成を示す図
【図２】光干渉計の概要を示す模式図
【図３】本実施の形態に係る第１光ファイバ及び第２光ファイバの構造を示す図
【図４】レーザヘッド及び光干渉計の各構成の配置について説明するための図
【図５】第１光ファイバの温調部を説明する図
【図６】温調部による光ファイバと第２光ファイバの温度調節が行われない場合に、光干渉計によって計測される計測波形が、温度によって変化する様子を例示した図
【図７】温調部による光ファイバと第２光ファイバの温度調節が行われない場合に、温度と、光干渉計によって計測される基準位置からのシフト量との関係を例示した図
【図８】温調部による光ファイバと第２光ファイバの温度調節が行われない場合に、第１光ファイバと第２光ファイバの温度変化の追従性の違い、及び基準位置からのシフト量を説明するための図
【図９】温調部を用いて第１光ファイバと第２光ファイバの温度を調節した場合の、第１光ファイバと第２光ファイバとの間の温度差、及び基準位置からのシフト量を説明するための図
【図１０】従来のレーザ溶接装置を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００１５】
以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものでは全くない。
【００１６】
［レーザ溶接装置１０の構成］
図１は、本実施形態に係るレーザ溶接装置１０の構成を示す図である。図１に示すように、レーザ溶接装置１０は、レーザ発振器１と、レーザヘッド２と、多関節ロボット３と、コントローラ４と、溶接条件設定装置（ティーチングペンダント）５と、光干渉計８と、を有する。
【００１７】
レーザ発振器１は、レーザ光伝送ファイバ６によってレーザヘッド２と接続されている。レーザ発振器１はレーザ発振し、発振したレーザ光を、レーザ光伝送ファイバ６を介してレーザヘッド２へ出力する。
【００１８】
レーザヘッド２は、レーザ光伝送ファイバ６により伝送されたレーザ光ＬＢをワーク７に向けて出射する。ワーク７は、本開示の被溶接部材の一例である。レーザヘッド２には、レーザ光伝送ファイバ６を取り付けるためのコネクタ（図示せず）が設けられている。また、レーザヘッド２には、後述する第１光ファイバ８４を取り付けるためのコネクタ（図示せず）が設けられている。レーザヘッド２の内部には、レーザ光伝送ファイバ６から伝送されたレーザ光ＬＢを所定のスポット径に集光するための集光光学系（図示せず）、及び、後述する物体光ＭＬＡをワーク７のキーホール７ｂ（図２参照）に向けて照射するための光学系（図示せず）が配設されている。
【００１９】
なお、レーザヘッド２に設けられた各光学系は、溶接部７ａにおいて、レーザ光ＬＢのスポット径よりも、物体光ＭＬＡのスポット径の方が小さくなるように予め調整されている。このような構成により、物体光ＭＬＡがキーホール７ｂの底部７ｃ（図２参照）のみに正確に照射される。
【００２０】
多関節ロボット３の各関節軸には、コントローラ４に接続されたモータ及びエンコーダ（図示せず）が取り付けられている。多関節ロボット３は、コントローラ４からの指令に従って、各関節軸に取り付けられたモータを回転させ、多関節ロボット３の先端に取り付けられたレーザヘッド２を所望の軌跡を描くように移動させる。
【００２１】
コントローラ４は、レーザ溶接装置１０の各構成の動作を統括的に制御する。具体的には、例えば、コントローラ４は多関節ロボット３に接続され、多関節ロボット３の動作を制御する。また、レーザヘッド２内部に可動部品（図示せず）がある場合には、コントローラ４はレーザヘッド２に接続され、当該可動部品の動作を制御する。また、コントローラ４は、レーザ発振器１に接続され、レーザ発振器１の発振出力を制御する。さらに、コントローラ４は、光干渉計８に電気的に接続されている。また、コントローラ４は、溶接条件設定装置５に接続され、溶接条件設定装置５と双方向でデータ通信を行う。
【００２２】
図１に示すように、コントローラ４は、記憶部４ａと、演算部４ｂとを有する。記憶部４ａは、複数の溶接条件等を記憶する。なお、記憶部４ａは、コントローラ４の外部に設けられてもよい。記憶部４ａが、例えば、コントローラ４と有線または無線で双方向のデータ通信を行う場合は、記憶部４ａは外部サーバ上にあってもよいし、記憶媒体等であってもよい。
【００２３】
演算部４ｂは、記憶部４ａに保存された溶接条件テーブルを用いて、作業者からの所定の入力に従って、所望の溶接条件を設定および演算する。また、演算部４ｂは、光干渉計８からの信号（差分信号）に基づいてワーク７の溶接部７ａ（図２参照）の溶け込み深さを評価する。
【００２４】
本実施の形態において、コントローラ４はＣＰＵ（Central Processing Unit）等のハードウェアプロセッサによって構成される主演算装置と、ＲＯＭ（Read Only Memory）及び／またはＲＡＭ（Random Access Memory）等の主記憶装置及び補助記憶装置と、を有するコンピュータである。記憶部４ａはＣＰＵの実行する制御プログラムを格納するＲＯＭ及び演算結果等を格納する読書き可能なＲＡＭによって構成され、演算部４ｂは各種演算を実行するＣＰＵによって構成される。コントローラ４は、記憶部４ａ及び演算部４ｂの他に入力インターフェース、出力インターフェース等（図示せず）をさらに有してもよい。
【００２５】
溶接条件設定装置（ティーチングペンダント）５は、入力部５ａと、表示部５ｂとを有する。入力部５ａは、作業者によるレーザ溶接に関する所定のデータの操作を受け付け、当該データをコントローラ４に対して入力する。入力部５ａにおけるデータ入力形式は特に限定されない。キーボードやタッチパネル等からの入力であってもよいし、音声等による入力でもよい。また、入力部５ａは、記憶媒体や外部サーバから記憶部４ａにデータを送る際のインターフェース等であってもよい。
【００２６】
表示部５ｂは、溶接条件やレーザ溶接時の各種センサ（図示せず）からの情報等を表示する表示デバイスである。図１に示す例では、コントローラ４と溶接条件設定装置５とは別体に構成されているが、両者の間でデータのやり取りができればよいため、一体に構成されていてもよい。また、表示部５ｂとは別にコントローラ４に接続された表示部（図示せず）が設けられていてもよい。さらに、溶接条件設定装置５に、コントローラ４の演算部４ｂとは別の演算部（図示せず）が設けられ、この演算部が入力部５ａからの入力に従って所定の演算処理を実行するようにしてもよい。その場合、当該演算部による演算処理結果をコントローラ４の記憶部４ａに記憶させることもできる。また、溶接条件設定装置５は、レーザ溶接を行う作業者が携帯して操作できるように、所定の長さの配線を介して、または無線通信でコントローラ４に接続されていることが好ましい。
【００２７】
光干渉計８は、測定光光源８１と、第１ファイバカプラ８３と、第１光ファイバ８４と、第２光ファイバ８５と、参照ミラー８６と、第２ファイバカプラ８７と、差分信号生成部８９と、を有する（図２参照）。本実施の形態において、光干渉計８の動作は、コントローラ４によって制御される。換言すれば、コントローラ４の演算部４ｂは、光干渉計８の一部を構成している。
【００２８】
光干渉計８は、レーザ光ＬＢと波長が異なり、レーザ光ＬＢと同軸に重ね合わされた物体光ＭＬＡを、ワーク７に対してレーザヘッド２に照射させる。また、光干渉計８は、レーザヘッド２を介して、ワーク７で反射した物体光ＭＬＡを受け取り、これに基づいてワーク７の溶接部７ａ（図２参照）の溶け込み深さを測定する。
【００２９】
光干渉計８の構成の詳細及び、光干渉計８の各部の機能については後述する。なお、光干渉計８は、内部への外光の侵入を防止する筐体４０を有する。光干渉計８の有する構成のうち、第１ファイバカプラ８３と、第２光ファイバ８５と、参照ミラー８６と、第２ファイバカプラ８７と、が筐体４０内に収容され、それ以外の構成は筐体４０の外に設置されている。
【００３０】
図１に示すように、レーザ溶接装置１０の各構成は、溶接が行われる加工室５０、または加工室とは壁等によって隔てられた制御室６０に設置される。なお、図１に示すように、レーザ発振器１は、図示しない電源とともに、加工室５０や制御室６０とは別に設けられた室内に別途設置されている。しかしながら、本開示はこれに限定されず、レーザ発振器１は加工室５０内に設置されていてもよい。
【００３１】
図１に示すように、加工室５０には、レーザヘッド２と、多関節ロボット３と、光干渉計８の一部と、が設置される。また、図１に示すように、制御室６０には、コントローラ４と、溶接条件設定装置５と、光干渉計８の一部と、が設置される。
【００３２】
加工室５０は、各構成のメンテナンスのため以外には作業者が立ち入らない部屋である。加工室５０の各壁面は、例えば、ワーク７に当たって反射したレーザ光ＬＢが制御室６０に入り込まないように遮光されている。
【００３３】
［光干渉計８の構成及び動作］
図２は、本実施の形態に係る光干渉計８の概要の模式図である。図２において、上記した加工室５０及び制御室６０は図示を省略している。
【００３４】
光干渉計８は、Swept Source Optical Coherence Tomography（ＳＳ−ＯＣＴ：波長走査型光干渉断層法）の技術を用いて、ワーク７の溶接部７ａの溶け込み深さを測定する。
【００３５】
測定光光源８１は、レーザ光ＬＢとは異なる波長を有し、波長幅の短い測定光ＭＬを連続的に出射し、出射する測定光ＭＬの中心波長を周期的に変化させる。このように測定光ＭＬの中心波長を周期的に変化させる動作は、波長走査と呼ばれる。
【００３６】
測定光光源８１から出射された測定光ＭＬは、光ファイバ８２を介して、第１ファイバカプラ８３に入射する。第１ファイバカプラ８３は、入射した測定光ＭＬを物体光ＭＬＡと参照光ＭＬＢの２つに分岐させる。より詳細には、第１ファイバカプラ８３は、入射した測定光ＭＬの５０％を物体光ＭＬＡとし、残りの５０％を参照光ＭＬＢとする。物体光ＭＬＡは測定対象である溶接部７ａに照射される測定光であり、参照光ＭＬＢは参照ミラー８６に照射される測定光である。第１ファイバカプラ８３は、物体光ＭＬＡを第１光ファイバ８４に、参照光ＭＬＢを第２光ファイバ８５に、それぞれ入射させる。
【００３７】
物体光ＭＬＡは、第１光ファイバ８４及びレーザヘッド２を介して、ワーク７の溶接部７ａに照射される。この際、物体光ＭＬＡは、レーザヘッド２内の図示しない光学系によって、レーザ光ＬＢと同軸に重ね合わされる。溶接部７ａに照射された物体光ＭＬＡの一部は、溶接部７ａで反射されてレーザヘッド２に入射し、第１光ファイバ８４を介して光干渉計８の第２ファイバカプラ８７に入射する。このとき、第１ファイバカプラ８３から出射して、第２ファイバカプラ８７に入射するまでに物体光ＭＬＡが通過した光路の長さを、物体光ＭＬＡの光路長とする。
【００３８】
参照光ＭＬＢは、第２光ファイバ８５を介して、参照ミラー８６に照射される。参照ミラー８６に照射された参照光ＭＬＢは、参照ミラー８６で反射した後、第２光ファイバ８５を介して、第２ファイバカプラ８７に入射する。このとき、第１ファイバカプラ８３から出射して、第２ファイバカプラ８７に入射するまでに参照光ＭＬＢが通過した光路の長さを、参照光ＭＬＢの光路長とする。参照光ＭＬＢの光路長は、基準値として予め測定しておくことが好ましい。
【００３９】
光干渉計８において、物体光ＭＬＡの光路長と参照光ＭＬＢの光路長とは、ほぼ同じになるように予め調整されている。具体的には、参照ミラー８６の配置位置は、物体光ＭＬＡの光路長と参照光ＭＬＢの光路長とが同じになるように調整されている。また、第１光ファイバ８４の長さと第２光ファイバ８５の長さとは、ほぼ同じ長さとなるように構成されている。本実施の形態において、第１光ファイバ８４及び第２光ファイバ８５の長さは、それぞれ約１０ｍであるが、本開示はこれには限定されない。第１光ファイバ８４及び第２光ファイバ８５の長さは、光干渉計８とレーザヘッド２との距離や、光干渉計８の大きさや測定精度等によって適宜変更されうる。
【００４０】
第２ファイバカプラ８７は、光ファイバ８８ａを介して差分信号生成部８９の差動ディテクタ８９１の第１入力８９１ａに接続され、また光ファイバ８８ｂを介して第２入力８９１ｂに接続されている。第２ファイバカプラ８７は、第１光ファイバ８４から入射した物体光ＭＬＡの５０％を第１入力８９１ａに入射させ、残りの５０％の物体光ＭＬＡを第２入力８９１ｂに入射させる。同様に、第２ファイバカプラ８７は、第２光ファイバ８５からに入射した参照光ＭＬＢの５０％を第１入力８９１ａに入射させ、残りの５０％の参照光ＭＬＢを第２入力８９１ｂに入射させる。このとき、参照光ＭＬＢと物体光ＭＬＡとが１つの光束に結合されることで干渉光となって、第１入力８９１ａ及び第２入力８９１ｂのそれぞれに入射される。
【００４１】
差分信号生成部８９は、差動ディテクタ８９１とＡ／Ｄ変換器８９２とを有する。差動ディテクタ８９１は、第１入力８９１ａと第２入力８９１ｂとからそれぞれ入力された干渉光の差分を取ることで、干渉光に含まれるノイズの影響を除去し、ノイズを除去した干渉光をその強度に応じて電気信号に変換する。なお、差動ディテクタ８９１によるノイズ低減の詳細については、公知の技術であるため、ここでは詳細な説明を省略する。また、差動ディテクタ８９１は、変換した干渉光の電気信号を、Ａ／Ｄ変換器８９２へ出力する。
【００４２】
Ａ／Ｄ変換器８９２には、波長走査の繰り返し周波数と同期したトリガ出力が、測定光光源８１から入力されている。Ａ／Ｄ変換器８９２は、入力されたトリガ出力に基づいて、測定光光源８１の波長走査の繰り返しの周期と同期して、差動ディテクタ８９１から入力された干渉光の電気信号を集める。干渉光には、物体光ＭＬＡと参照光ＭＬＢとの光路長差に応じた干渉が生じており、Ａ／Ｄ変換器８９２によって集められた干渉光の電気信号は、光干渉計８の一部を構成するコントローラ４の演算部４ｂへ出力される。演算部４ｂは、入力された干渉光の電気信号に基づいて、溶接部７ａの溶け込み深さを評価する。具体的には、演算部４ｂが、入力された干渉光の電気信号に対して、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）処理を実行し、処理の結果に基づいて、溶接部７ａの溶け込み深さを評価する。
【００４３】
なお、本実施の形態では、コントローラ４の演算部４ｂにおいて、光干渉計８の差分信号生成部８９からの差分信号を受けてワーク７の溶接部７ａの溶け込み深さを評価するようにしているが、光干渉計８自体に別の演算部（図示せず）を設け、この演算部がワーク７の溶接部７ａの溶け込み深さを評価するようにしてもよい。
【００４４】
図３は、第１光ファイバ８４及び第２光ファイバ８５の断面構造を示す模式図である。図３Ａは、第１光ファイバ８４の断面構造を示しており、図３Ｂは、第２光ファイバ８５の断面構造を示している。図３に示すように、第１光ファイバ８４には、外周面に接するように第１被覆部８４Ｃが設けられている。また、第２光ファイバ８５には、外周面に接するように第２被覆部８５Ｃが設けられている。第１被覆部８４Ｃ及び第２被覆部８５Ｃは、例えば絶縁性の樹脂材料で構成されている。
【００４５】
また、第１被覆部８４Ｃのさらに外周側には、第１被覆部８４Ｃと別体に設けられた保護管８４Ｐが、第１被覆部８４Ｃと所定の間隔を有して配設されている。保護管８４Ｐは、例えば金属材料からなるフレキシブルパイプであり、第１被覆部８４Ｃ及び第２被覆部８５Ｃよりも硬度及び／または機械的強度が高くなるように構成されている。保護管８４Ｐは、特に、加工室５０の床面等に触れて擦れた場合にも、内部の第１光ファイバ８４が機械的ダメージを受けない程度の機械的強度を有しているのが好ましい。また、保護管８４Ｐは、第１光ファイバ８４の変形に応じて変形できる程度の可撓性を有しているのが好ましい。なお、保護管８４Ｐは、第１被覆部８４Ｃ及び第２被覆部８５Ｃと同様に絶縁性の樹脂材料で構成されてもよい。その場合も、上記の機械的強度及び可撓性を有しているのが好ましい。
【００４６】
図４は、本実施の形態に係るレーザヘッド２及び光干渉計８の構成の配置について説明するための図である。図１に示すように、光干渉計８は、内部に筐体４０を有する。筐体４０は、内部への外光の侵入を防止するとともに、内部に収容された部品を機械的ダメージから保護するように構成されており、例えば、金属製の箱体である。筐体４０には、第１ファイバカプラ８３と、第２光ファイバ８５と、参照ミラー８６と、第２ファイバカプラ８７と、が収容されている。なお、図２では、筐体４０の図示を省略している。また、図４では、参照ミラー８６の図示を省略している。
【００４７】
光干渉計８のうち、第１ファイバカプラ８３と第２光ファイバ８５とを収容する筐体４０及び第１光ファイバ８４は加工室５０に設置され、測定光光源８１と差分信号生成部８９とは制御室６０に設置されている。差分信号生成部８９と筐体４０内に収容された第２ファイバカプラ８７（図２参照）とは光ファイバを介して接続され、測定光光源８１と第１ファイバカプラ８３とは光ファイバを介して接続されている。本実施の形態では、筐体４０と第１ファイバ８４とはともに加工室５０内に設置されている構成としているが、制御室６０に設置される場合もあり得る。なお、機械的強度及び光遮蔽性能が所望の値であれば、筐体４０を絶縁体で構成してもよい。また、本実施の形態では、図１に示すように、筐体４０と第１ファイバ８４とはともに加工室５０内に設置されている構成としているが、制御室６０に設置される場合もあり得る。
【００４８】
図４に示すように、光干渉計８は、第１光ファイバ８４及び／または第２光ファイバ８５の温度調節を行う温調部９１、９２を有する。温調部９１，９２は、本開示の温度調節部の例である。
【００４９】
温調部９１は、第１光ファイバ８４の温度調節を行う。図５は、温調部９１の構成例を示す図である。図５に示すように、温調部９１は、温度検出器９１１と、温度調節器９１２と、ヒータ線９１３と、を有する。
【００５０】
温度検出器９１１は、保護管８４Ｐの表面温度を検出する。温度調節器９１２は、温度検出器９１１の検出結果に基づいて、所望の温度となるようにヒータ線９１３の温度を調節する。ヒータ線９１３は、保護管８４Ｐに巻き付けられるように配置された帯状のヒータ線である。ヒータ線９１３には、具体的には例えばリボンヒータと呼ばれる配管の温調機器として市販されているものが採用されうる。
【００５１】
このような構成により、温調部９１は、保護管８４Ｐに覆われており、かつ多関節ロボット３の動きを阻害しないように引き回されている光ファイバ８４全体の温度を均一に保つことができる。
【００５２】
一方、温調部９２としては一般的なヒータ装置が採用されうる。具体的には、例えば温調部９２は筐体４０の内部温度を一定温度に維持するように設けられたヒータ装置である。温調部９２が調節する目標温度としては、加工室５０内の最大温度上昇値より高い温度であることが好ましい。このような温度に筐体４０内を維持することにより、加工室５０内の温度変化の影響を受けずに第２光ファイバ８５の温度を調節することができる。具体的には、温調部９２は、事前に測定された、加工室５０内の最大温度上昇値に基づいて、第２光ファイバ８５の温度をその温度から＋５℃程度高めの温度に設定すればよい。
【００５３】
このような温調部９１及び９２によって、第１光ファイバ８４及び第２光ファイバ８５の温度を一定に維持し、物体光の光路長と参照光の光路長との間に生じる誤差を低減することができる。このため、光干渉計８による溶け込み深さの測定誤差を低減することができる。
【００５４】
［作用・効果］
以上説明したように、本実施形態に係るレーザ溶接装置１０は、コントローラ４の制御に従ってレーザ光ＬＢを発生させるレーザ発振器１と、レーザ発振器１で発生したレーザ光ＬＢをワーク７に向けて照射するレーザヘッド２と、を有する。これにより、レーザ溶接装置１０は、ワーク７に照射されたレーザ光ＬＢでワーク７を溶接する。さらに、レーザ溶接装置１０は、レーザ光ＬＢと異なる波長を有し、レーザ光ＬＢと同軸に重ね合わされた測定光ＭＬをワーク７に照射するとともに、ワーク７で反射した測定光ＭＬを受け取って、ワーク７の溶接部７ａの溶け込み深さを測定する光干渉計８と、を有する。
【００５５】
光干渉計８は、測定光光源８１と、第１ファイバカプラ（第１光分岐部）８３と、第１光ファイバ８４と、第２光ファイバ８５と、第２ファイバカプラ（第２光分岐部）８７と、差分信号生成部８９と、演算部４ｂと、を有する。測定光光源８１が測定光ＭＬを発生させ、第１ファイバカプラ８３が測定光ＭＬを物体光ＭＬＡと参照光ＭＬＢとに分岐させ、第１光ファイバ８４が物体光ＭＬＡを伝搬する。そして、第２光ファイバ８５が参照光ＭＬＢを伝搬する。差分信号生成部８９は、第１光ファイバ８４を介してワーク７で反射された物体光ＭＬＡを受け取るとともに、第２光ファイバ８５を介して参照光ＭＬＢを受け取って、物体光ＭＬＡと参照光ＭＬＢとの差分信号を生成する。そして、演算部４ｂは、差分信号生成部８９で生成された差分信号に基づいて溶接部７ａの溶け込み深さを算出する。
【００５６】
光干渉計８は、内部への外光の侵入を防止する筐体４０を有し、第１ファイバカプラ８３と、第２光ファイバ８５と、参照ミラー８６と、第２ファイバカプラ８７と、が筐体４０内に収容されている。さらに、光干渉計８は、温調部９１及び９２を有する。温調部９１は、筐体４０の外部において第１光ファイバ８４の温度調節を行い、温調部９２は、筐体４０の内部において第２光ファイバ８５の温度調節を行う。
【００５７】
なお、本実施の形態では、筐体４０と第１光ファイバ８４とがともに加工室５０内に設置されている構成としたが、筐体４０を制御室６０内に配置してもよい。この場合でも、温調部９１及び９２を用いて第１光ファイバ８４と第２光ファイバ８５との温度調節を行うことにより、物体光の光路長と参照光の光路長との間に生じる誤差を低減することができる。この場合、レーザ溶接装置１０の構成の配置に自由度が増すという効果が得られる。
【００５８】
また、筐体４０を制御室６０内に配置した場合に、コントローラ４の発熱等によって加工室５０内の温度よりも筐体４０内の温度が高くなることがある。このような場合、温調部９１のみを用いて第１光ファイバ８４のみの温度を調節し、第２光ファイバ８５の温度を調節しないようにしてもよい。
【００５９】
以上、本開示の実施の形態に係るレーザ溶接装置１０の構成について説明した。このような構成を有するレーザ溶接装置１０により、第１光ファイバ８４と第２光ファイバ８５の温度差に起因する、レーザ溶接部の溶け込み深さの誤差を低減することができるので、溶接部の品質の評価を高精度に行うことが可能となる。
【００６０】
以下では、上記説明した構成を有するレーザ溶接装置１０の効果について、図６から図９に基づき、具体例を挙げて説明する。
【００６１】
図６は、温調部９１，９２による光ファイバ８４と第２光ファイバ８５の温度調節が行われない場合に、光干渉計８によって計測される計測波形が、温度によって変化する様子を例示した図である。図６において、実線は基準位置を示しており、点線は温度変化により誤差が生じた場合の計測波形を示している。なお、基準位置とは、光干渉計８の初期校正点（較正点）を基準とした位置である。図６において、各波形の波形底部と波形上部との差が溶け込み深さに相当する。光干渉計８が有する第１光ファイバ８４及び第２光ファイバ８５の周辺温度が変化した場合、図６の点線で示される波形のように、溶け込み深さの計測波形自体がシフトするとともに、溶け込み深さの値自体も変化してしまう。このシフト量が誤差となる。この場合、光干渉計８の計測可能な範囲から計測波形が逸脱してしまうとともに、溶け込み深さの正確な評価ができなくなってしまう。なお、図６の例において、計測の温度依存性は、０．２ｍｍ／℃〜０．３ｍｍ／℃程度である。
【００６２】
また、図７は、温調部９１，９２による第１光ファイバ８４と第２光ファイバ８５の温度調節が行われない場合に、温度と、光干渉計８によって計測される基準位置からのシフト量との関係を例示した図である。図７において、●は物体光を伝搬する第１光ファイバ８４の温度とシフト量との関係を、□は参照光を伝搬する第２光ファイバ８５の温度とシフト量との関係を、それぞれ示している。また、図７において、△は第１光ファイバ８４と第２光ファイバ８５とをともに加工室５０内に配置した場合の、温度と、基準位置からのシフト量との関係を示している。
【００６３】
図７において、第１光ファイバ８４の温度のみを変化させた場合の、光干渉計８で計測されるシフト量の温度依存性は、●を結ぶ直線に相当する。同様に、図７において、第２光ファイバ８５の温度のみを変化させた場合の、光干渉計８で計測されるシフト量の温度依存性は、□を結ぶ直線に相当する。これらを比較すると、第１光ファイバ８４の温度のみを変化させた場合のシフト量の温度依存性の方が、第２光ファイバ８５の温度のみを変化させた場合のシフト量の温度依存性よりも大きくなっている。具体的には、図７に示す例では、前者が＋０．４９ｍｍ／℃であるのに対し、後者は−０．０８ｍｍ／℃となっている。
【００６４】
従って、図７に示す例では、第１光ファイバ８４の温度が変化すると、第２光ファイバ８５の温度が変化した場合と比較して、シフト量がより大きくなる。
【００６５】
第１光ファイバ８４及び第２光ファイバ８５に対する温度調節を行わずに、シフト量をできるだけ抑制するための方法として、例えば第１光ファイバ８４及び第２光ファイバ８５に、温度依存性がより少ない光ファイバを採用する方法（以下、第１方法）が考えられる。しかしながら、上述したように光ファイバの温度による光伝搬特性の変化は光ファイバに加わる応力の変化に起因するものであるため、温度依存性がより少ない光ファイバとは、例えば被膜が薄い光ファイバである。被膜が薄い光ファイバを採用すると光ファイバの機械的強度が落ちるため、レーザ溶接装置１０のように多関節ロボット３の動きに光ファイバを追従させる必要がある場合、第１方法では強度的な信頼性が問題となる。このため、本実施の形態のレーザ溶接装置１０では、第１方法の採用は難しい。
【００６６】
一方、温度調節を行わずにシフト量をできるだけ抑制するための第２の方法として、第１光ファイバ８４と第２光ファイバ８５とに光伝搬特性が類似した光ファイバを採用し、第１光ファイバ８４と第２光ファイバ８５の各設置環境の温度を同程度にする方法（以下、第２方法）環境温度の変化に対する特性ドリフトをキャンセルすることができる。換言すれば、第１光ファイバ８４と第２光ファイバ８５との設置環境の温度を同程度にした場合、これらの光ファイバの光伝搬特性が類似すればするほど、計測波形における基準位置からのシフト量を小さくすることができる。
【００６７】
しかしながら、第１光ファイバ８４と第２光ファイバ８５とに光伝搬特性が類似した光ファイバを用い、第１光ファイバ８４と第２光ファイバ８５の各設置環境の温度を同程度としても、第１光ファイバ８４と第２光ファイバ８５とで温度変化に対する追従性が異なっていると、基準位置の変化を完全にキャンセルすることが困難である。図８は、温調部９１，９２による光ファイバ８４と第２光ファイバ８５の温度調節が行われない場合に、第１光ファイバ８４と第２光ファイバ８５の温度変化の追従性の違い、及び基準位置からのシフト量を説明するための図である。
【００６８】
図８の（Ａ）は、第１光ファイバ８４と第２光ファイバ８５とを同じ加工室５０内に設置し、室温を約３０℃から約２０℃まで変化させた場合の、各光ファイバの温度変化を計測したものである。図８の（Ａ）に示すように、第１光ファイバ８４には最大で１５℃程度の温度変化が発生している。
【００６９】
図８の（Ｂ）は、第１光ファイバ８４と第２光ファイバ８５との温度変化の差分を示している。図８の（Ｂ）に示すように、第１光ファイバ８４と第２光ファイバ８５との間には、最大で９℃ほどの差分が発生している。これは、第１光ファイバ８４が上記したように保護管８４Ｐによって保護されており、第２光ファイバ８５が筐体４０の中に配置されているため、第１光ファイバ８４と第２光ファイバ８５とで周囲の温度変化に対する追従性が異なることが原因である。
【００７０】
図８の（Ｃ）は、第１光ファイバ８４と第２光ファイバ８５との間に図８の（Ｂ）に示す温度差が生じた場合の、計測波形の基準位置からのシフト量を示している。図８の（Ｃ）に示すように、第１光ファイバ８４と第２光ファイバ８５とで周囲温度変化に対する追従性が異なる場合、約０．１２ｍｍ／℃の温度依存性で基準位置が変化し、最大で約１．１ｍｍの変化が発生してしまう。このような現象は、特にレーザ溶接装置１０の始動前や、休憩時、あるいは設備トラブル時等、レーザ溶接装置１０が一時休止した場合に発生しやすい。
【００７１】
レーザ溶接装置１０では、コントローラ４等の性能が低下しないように、コントローラ４等が配置された制御室６０内の室温が所定の温度、例えば、２０℃〜２８℃程度になるように温度調節がなされる。しかしながら、ワーク７が配置される加工室５０は、作業者の立ち入りが想定されていないため、温度調節がなされない。このため、加工室５０内の温度はワーク７が溶接されるときに発生する熱によって上昇する。特に、複数のワーク７が継続して溶接されているときには、制御室６０内の温度に対して１０℃以上高くなる。このように、光ファイバ８４と第２光ファイバ８５の周囲の温度変化の量は、レーザ溶接装置１０の稼働状況により増減しうる。
【００７２】
なお、加工室５０全体の温度を空調等により調節すれば、第１光ファイバ８４と第２光ファイバ８５の設置環境の温度を同程度にすることは不可能ではない。しかしながら、光ファイバのために加工室５０全体の温度を調節するのは効率が悪く、空調設置コストが余分に掛かるため好適ではない。
【００７３】
以上のことから、レーザ溶接装置１０では、第２方法も採用が困難である。このため、レーザ溶接装置１０では、温調部９１，９２により、第１光ファイバ８４と第２光ファイバ８５との間で温度差が生じないように、温度の調節を行う。
【００７４】
図９は、温調部９１，９２を用いて第１光ファイバ８４と第２光ファイバ８５の温度を調節した場合の、第１光ファイバ８４と第２光ファイバ８５との間の温度差、及び基準位置からのシフト量を説明するための図である。図９の（Ａ）は、第１光ファイバ８４と第２光ファイバ８５とを同じ加工室５０内に設置し、室温を約３０℃から約２０℃まで変化させた場合の、第１光ファイバ８４の温度と第２光ファイバ８５の温度変化を示している。すなわち、図９の（Ａ）は、図８の（Ｂ）と同じグラフである。
【００７５】
図９の（Ｂ）は、第１光ファイバ８４と第２光ファイバ８５との間に図９の（Ａ）に示す温度差が生じた場合の、計測波形の基準位置からのシフト量を示したグラフである。すなわち、図９の（Ｂ）は図８の（Ｃ）と同じグラフである。
【００７６】
一般的にレーザ溶接では数ｍｍオーダーの溶接深さを確保することが多いため、光干渉計に求められる計測精度としては０．５ｍｍ程度が必要である。図９の（Ａ）及び（Ｂ）を参照すると、基準位置からのシフト量を０．５ｍｍ以内とするためには、温度差が５℃以内である必要があることが分かる。
【００７７】
以上のことから、温調部９１，９２によって、第１光ファイバ８４の温度と第２光ファイバ８５の温調との温度差を約５℃以内に調節することで、光干渉計８において十分な計測精度を得ることができる。
【００７８】
以上説明したように、物体光を伝搬する第１光ファイバ８４と、参照光を伝搬する第２光ファイバの温度を温調部９１，９２により調節することで、光干渉計８による溶け込み深さの測定誤差を低減し、溶接部の品質の評価を高精度に行うことが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００７９】
本発明は、自動車や電子部品等のレーザ溶接に適用することができる。
【符号の説明】
【００８０】
１０  レーザ溶接装置
１  レーザ発振器
２  レーザヘッド
３  多関節ロボット
４  コントローラ
４ａ  記憶部
４ｂ  演算部
５  溶接条件設定装置
５ａ  入力部
５ｂ  表示部
６  レーザ光伝送ファイバ
７  ワーク
７ａ  溶接部
７ｂ  キーホール
７ｃ  底部
８  光干渉計
８１  測定光光源
８２  光ファイバ
８３  第１ファイバカプラ
８４  第１光ファイバ
８４Ｃ  第１被覆部
８４Ｐ  保護管
８５  第２光ファイバ
８５Ｃ  第２被覆部
８６  参照ミラー
８７  第２ファイバカプラ
８８ａ  光ファイバ
８８ｂ  光ファイバ
８９  差分信号生成部
８９１  差動ディテクタ
８９１ａ  第１入力
８９１ｂ  第２入力
８９２  Ａ／Ｄ変換器
９１，９２  温調部
９１１  温度検出器
９１２  温度調節器
９１３  ヒータ線
４０  筐体
５０  加工室
６０  制御室
ＬＢ  レーザ光
ＭＬ  測定光
ＭＬＡ  物体光
ＭＬＢ  参照光
【図１】
2019209344.tif 000003
【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】
2019209344.tif 000010
【図９】
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【図１０】
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