(57)【要約】【課題】装置コストを抑え、溶接箇所の周辺の可視化を容易にすることを可能とする投光装置及び溶接装置を提供すること。【解決手段】光源からの光を光ファイバー３により導いて出射する投光装置において、光ファイバー３の入射端面３２に光源の像を形成する光学系が設けられ、入射端面３２は、像の形状に対応させて形成されることを特徴とする。また、光ファイバー３の出射光による照射領域を撮像する撮像装置を備えることを特徴とする。【選択図】　　図３
2004055163.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源からの光を光ファイバーにより導いて出射する投光装置において、
前記光ファイバーの入射端面に前記光源の像を形成する光学系が設けられることを特徴とする投光装置。
【請求項２】
請求項１記載の投光装置において、
前記入射端面は、前記像の形状に対応させて形成されることを特徴とする投光装置。
【請求項３】
請求項１又は２記載の投光装置において、
前記光ファイバーの出射光による照射領域を撮像する撮像装置を備えることを特徴とする投光装置。
【請求項４】
溶接箇所を含む照射領域を照射するための請求項１から３のいずれかに記載の投光装置を備えることを特徴とする溶接装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、投光装置及び溶接装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、レーザービームを用いるレーザー溶接は、レーザー光を非常に小さい領域に集光してこの集光領域にレーザー光のエネルギーを集中させることにより被溶接物を溶接するものである。したがって、被溶接物を溶接する場合には、溶接の精度や品質を確保する目的から溶接箇所の周辺領域（照射領域）を可視化することが行われている。
【０００３】
従来、溶接箇所の周辺領域を可視化する装置としては、パルスレーザー光源を用いて光ファイバーで導光した光を溶接箇所の周辺に照射し、反射された光をＣＣＤカメラ等の受光器に取り込むことで溶接箇所の周辺を可視化するものが提案されている。溶接箇所の周辺に光を照射する理由は、溶接の際に溶接箇所から発せられる光の輝度が高すぎてハレーションが生じ、溶接箇所の周辺の可視化が困難になるからであり、パルスレーザー光源を用いる理由は、パルスレーザーから発せられる光が溶接箇所の周辺を可視化するのに十分な光強度をもっているからである。
【０００４】
また、フラッシュランプを光源として用い、光ファイバーで導光した光を出射端側に配置されたレンズで集光させてから溶接箇所の周辺に照射し、同様に溶接箇所の周辺を可視化するものも提案されている。光ファイバーの出射端側で光を集光させる理由は、フラッシュランプそのままでは光の強度が不十分であり、溶接箇所の周辺の可視化が困難だからである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記従来の溶接装置において、パルスレーザーを光源として用いた場合には、パルスレーザーが高価であるので装置コストがかかるという問題があった。また、フラッシュランプを光源として用いた場合には、その出射端側に光を集光するためのレンズ等の光学系を必要とする一方で、光学系が配置される溶接の作業領域には十分な空間がないので、空間的な制約からくる集光能力の限界から光の強度が不足し、溶接箇所の周辺の可視化が不十分であるという問題があった。
【０００６】
この発明は、このような事情を考慮してなされたもので、その目的は、装置コストを抑えることを可能とする投光装置及び溶接装置を提供することにある。また、溶接箇所の周辺を十分に可視化することを可能とする投光装置及び溶接装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、この発明は以下の手段を提案している。
請求項１に係る発明は、光源からの光を光ファイバーにより導いて出射する投光装置において、前記光ファイバーの入射端面に前記光源の像を形成する光学系が設けられることを特徴とする。
この発明に係る投光装置によれば、光ファイバーの入射端面に光源の像を形成する光学系が設けられるので、光源から発せられて拡がった光は光学系を介して光ファイバーの入射端面において集光される。つまり、光源と光ファイバーの入射端面との距離が同じ場合、光ファイバーに入射される光の強度は、光源からの光がそのまま入射するのに比べて強い。したがって、光源の光エネルギーを有効に利用することができる。
【０００８】
請求項２に係る発明は、請求項１記載の投光装置において、前記入射端面は、前記像の形状に対応させて形成されることを特徴とする。
この発明に係る投光装置によれば、光ファイバーの入射端面は、光源の像の形状に対応させて形成されるので、光が入射せずに無駄となる部分が少なくなり、入射端面に入射した光のエネルギーは、小さな断面積を有する光ファイバー内を通過する。つまり、光の強度が入射時の光の強度にほぼ保たれた状態で転送される。したがって、光ファイバーに入射した入射端面における光の強度を効率よく転送することができる。
【０００９】
請求項３に係る発明は、請求項１又は２記載の投光装置において、前記光ファイバーの出射光による照射領域を撮像する撮像装置を備えることを特徴とする。
この発明に係る投光装置によれば、対象物に出射光を照射すると、照射領域からの光が撮像装置に取り込まれる。この際、対象物に照射される出射光は、光源からの光のエネルギーが効率よく転送されて十分な強度を有しているので、照射領域からの光も十分な強度を有する。したがって、撮像装置に取り込まれる光の強度が十分なので、対象物を可視化することができる。また、撮像装置が光の出射部分に一体に取り付けられるので、取り扱いを容易に行うことができる。
【００１０】
請求項４に係る発明は、溶接箇所を含む照射領域を照射するための請求項１から３のいずれかに記載の投光装置を備えることを特徴とする。
この発明に係る溶接装置によれば、溶接箇所を含む照射領域に投光装置からの光を照射すると、照射領域から十分な強度の光が放射される。したがって、照射領域からの光に基づいて溶接箇所を含む照射領域における温度などの情報を取得することができる。溶接装置に投光装置と撮像装置とが組み合わされている場合には、照射領域内にある溶接箇所の周辺を可視化することができる。また、照射領域からの光は十分な強度をもっているので、バンドル光ファイバーに導く光源としてパルスレーザーと比べて比較的安価なフラッシュランプを光源として用いることができ、装置コストを抑えることができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照し、この発明の実施の形態について説明する。図１はこの発明の一実施の形態を示す図である。
図１において、投光装置１は、光源であるフラッシュランプ２と、フラッシュランプ２で発せられた光を導いて出射するバンドル光ファイバー３と、フラッシュランプ２から発せられた光をバンドル光ファイバー３の入射端面３２に結像させる光学系４とを主な構成要素とする。
【００１２】
フラッシュランプ２は、光を出射する出射窓が形成された円筒形状の外殻２１を有しており、外殻２１内には、電圧が印加されると共にその間に放電によって光を発生させる一対の電極部２２と、放電のきっかけをつくるトリガー部（不図示）と、電極部２２の間で発生した光を出射窓の方向へ反射する反射鏡（不図示）とが設けられている。フラッシュランプ２は、一対の電極部２２に電圧を印加すると共にトリガー部により内部ガスのイオン化を促進することで、放電により電極部２２の間に光を発生させるものである。電極部２２の間において放電により光が発生する部分を放電部（光源）２３とする。放電部２３で発生する光は、楕円形に近い樽型状の輪郭を有する。
【００１３】
バンドル光ファイバー３は、光ファイバーが複数束ねられたものであり、バンドル光ファイバー３の出射側は、２つの光ファイバー束３ａに分岐されている。２つの光ファイバー束３ａの出射端側には光学系３１ａがそれぞれ配置されており、２つの光ファイバー束３ａから出射される光は、それぞれが光学系３１ａにて集光されると共に照射領域６において互いの光軸が交差するようになっている。このバンドル光ファイバー３は、例えば５０μｍのコア径を有する多成分ガラスからなる光ファイバーが数１０００本束ねられたものである。出射部分３１の出射端の径はΦ＝３ｍｍ程度となっており、出射端におけるＮＡ（開口数）は０．５７程度となっている。また、２つの光ファイバー束３ａの間には、この投光装置１により照射された照射領域６を撮像する撮像装置５が設けられている。
【００１４】
バンドル光ファイバー３の入射端面３２は、長方形状に形成されており、放電部２３の形状とほぼ同一（光学系４の倍率が等倍の場合）となるように形成されている。なお、この実施の形態では、入射端面３２の形状は長方形状とされているが、入射端面３２の形状はこれに限られず、放電部２３の形状である略楕円形の樽型状に形成してよい。
【００１５】
光学系４は、図２に示すように、フラッシュランプ２から発せられる光を集光してバンドル光ファイバー３の入射端面３２に結像させるレンズ６１、６２とを備えている。レンズ６１はフラッシュランプ２が固定されるカップリング４１に固定され、レンズ６２はカップリング４３に固定され、バンドル光ファイバー３は、ホルダー４４に固定されている。カップリング４１とカップリング４３とは、その間に連結リング４２を介在させてボルト、ねじ等によって連結されており、カップリング４３とホルダー４４とは、直接にボルト、ねじ等によって連結されている。つまり、フラッシュランプ２とレンズ６１、６２とバンドル光ファイバー３とは、位置合わせされた状態で一体に固定されている。
【００１６】
カップリング４１には、不図示の絞り部が設けられており、絞り部は、フラッシュランプ２から発せられた光の照射領域を調整するものである。ホルダー４４におけるＡ−Ａ線視断面図は、図３に示されており、図３の中心に長方形として記した部分は、バンドル光ファイバー３の入射端面３２を表す。バンドル光ファイバー３の入射端面３２は、レンズ６１及びレンズ６２の中心軸に対して垂直となるように配置されており、入射端面３２の中心にレンズ６２の中心軸が通るように配置されている。また、入射端面３２の形状は、そこに結像した像の輪郭に外接してその面積が最小となるような長方形に形成されている。
【００１７】
上記の構成からなる溶接装置１においては、フラッシュランプ２の電極部２２に電圧を印加し、さらにトリガーにより一対の電極部２２の間で放電させると、放電によって光が発生する。発生した光は、直接又は不図示の反射鏡によって反射されて、出射窓から出射される。フラッシュランプ２から出射された光は、光学系４のレンズ６１により、不図示の絞り部によって照射領域が調整された状態で集光され、集光された光は、レンズ６２により、バンドル光ファイバー３の入射端面３２に結像される。（図４参照）
【００１８】
この際、フラッシュランプ２の放電部２３から発せられる光は、バンドル光ファイバー３の入射端面３２上に、放電部２３の形状とほぼ同一の形状で結像される。結像されるバンドル光ファイバー３の入射端面３２は、レンズ６１及びレンズ６２の中心軸に対して垂直となるように配置されており、入射端面３２の中心にレンズ６２の中心軸が通るように配置されている。したがって、フラッシュランプ２から発せられる光のエネルギーの大部分がバンドル光ファイバー３に入射される。
【００１９】
さらに、光軸に沿って見た入射端面３２の形状は、そこに結像した像の輪郭に外接してその面積が最小となるような長方形状に形成されているので、無駄となる光ファイバーの数が少なくなり、入射端面３２に入射した光のエネルギーは、小さな断面積を有するバンドル光ファイバー３内を通過する。つまり、光の強度が入射時の光の強度にほぼ保たれた状態で転送（イメージ転送）される。ここで、入射端面３２の形状は、厳密には放電部２３の形状と同一形状ではないが、入射端面３２の形状を、そこに結像した像の輪郭に外接する円形に形成した場合に比べると、入射端面３２の面積に対する結像部分の面積の割合が大きいので、効率よく光の強度が転送される。
【００２０】
上記の構成によれば、フラッシュランプ２から発せられる光のエネルギーの大部分がバンドル光ファイバー３に入射されると共に、入射された光の強度がほぼ保たれた状態で出射されるので、照射領域６における出射光の光強度を増加させることができる。
【００２１】
また、図５に示すように、この投光装置１を溶接箇所の周辺（照射領域６）を照射してその部分を可視化（撮像）する目的で使用した場合には、撮像装置５と一体になったバンドル光ファイバー３の光ファイバー束３ａ、３ａからの出射光が溶接箇所の周辺６において十分な光強度をもつので、溶接箇所の周辺６に照射されて撮像装置５に取り込まれる光の強度も十分となり、容易に溶接箇所の周辺６を可視化することができる。（図５においては、溶接用レーザー８により溶接箇所９が溶接されている様子が示されている。これら全体が溶接装置を表す。）この際、撮像装置５が光ファイバー束３ａに一体に取り付けられるので、取り扱いが容易になる。また、撮像する際に最もよく可視化するための出射光と撮像装置５との角度が決まっている場合には、それぞれを個別に位置合わせする必要がなく、一体物を位置合わせするだけで済む。
【００２２】
また、照射領域からの光は十分な強度をもっているので、バンドル光ファイバーに導く光源としてパルスレーザーと比べて比較的安価なフラッシュランプ２を光源として用いているので、装置コストを抑えることができる。
【００２３】
なお、上記の実施の形態では、光学系４は、２つのレンズ６１とレンズ６２を組み合わせたリレー系を構成しているが、光学系４は、１つのレンズさらにはレンズ３枚以上を組み合わせてもよい。また、上記の実施の形態では、光源としてフラッシュランプ２を用いたが、光源はこれに限らず、可視化により一層光の強度が必要となった場合には、例えばパルスレーザーを用いてよい。また、光学系４は結像性能として倒立等倍を有するものとして構成したが、光学系４は拡大・縮小の倍率を有してもよい。また、正立像とするために中間像を形成させてもよい。
【００２４】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１に係る発明によれば、光学系により光源から出射される光の大部分をバンドル光ファイバーに入射させるので、光源の光エネルギーを有効に利用することができる。
また、請求項２に係る発明によれば、光が入射せずに無駄となる光ファイバーの部分が抑えられ、入射された光の強度がほぼ保たれた状態で出射されるので、入射端面における光の強度を効率よく転送することができる。
また、請求項３に係る発明によれば、撮像装置が光の出射部分に一体に取り付けられるので、取り扱いが容易になる。つまり、撮像する際に、最もよく可視化するための出射光と撮像装置との角度が決まっている場合には、それぞれを個別に位置合わせする必要がなく、一体物を位置合わせするだけで済む。
また、請求項４に係る発明によれば、溶接装置に投光装置と撮像装置とが組み合わされているので、照射領域内にある溶接箇所の周辺の情報を得ることができる。この際、照射領域からの光を撮像装置に取り込ませると、溶接箇所の周辺を可視化することができる。また、パルスレーザーと比べて比較的安価なフラッシュランプを光源として用いた場合には、装置コストを抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施形態に係る投光装置を示す概略図である。
【図２】この発明の一実施形態に係る投光装置の光学系を示す拡大図である。
【図３】図２のＡ−Ａ線視断面図であって、バンドル光ファイバーの入射端面を示す図である。
【図４】この発明の一実施形態に係る投光装置を用いたイメージ転送の例を示す概念図である。
【図５】この発明の一実施形態に係る投光装置を溶接装置に適用した場合を示す概略図である。
【符号の説明】
１　　　投光装置
３　　　バンドル光ファイバー（光ファイバー）
４　　　光学系
２３　　　放電部（光源）
３２　　　入射端面
【図１】
2004055163.tif 000003
【図２】
2004055163.tif 000004
【図３】
2004055163.tif 000005
【図４】
2004055163.tif 000006
【図５】
2004055163.tif 000007