(57)【要約】【課題】被溶接物が溶接用のレーザに近づくか離れる方向に傾斜していても溶接することができるレーザ溶接装置を提供する。【解決手段】複数の昇降手段６−１〜６−４を昇降させてレーザ距離計測機１４−１〜１４−４で被溶接物１までの距離を計測し、中央情報処理手段１７で溶接用のレーザ光３−１〜３−４の照射位置を算出し、レーザ光３−１〜３−４の照射位置を決定する。レーザヘッド３−１〜３−４の照射位置までの距離がレーザヘッド３−１〜３−４の焦点とずれていると中央情報処理手段１７が判断したときは、移動手段８−１〜８−４でレーザヘッド３−１〜３−４を移動させてレーザヘッド３−１〜３−４の焦点を適切な位置に合わせる。この結果、被溶接物１がレーザヘッド３−１〜３−４に近づくか離れる方向に傾斜していても正確に溶接することができる。【選択図】　　　　図１
2004130361.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ溶接される被溶接物が載置されるワーク台と、該ワーク台の近傍に配置され昇降部が昇降する昇降手段と、該昇降部に設けられ移動部が上記被溶接物に近づくか離れる方向に移動する移動手段と、上記移動部に設けられ上記被溶接物に溶接用のレーザ光を照射するレーザヘッドと、該レーザヘッドに設けられ光軸が該レーザヘッドのレーザ光の光軸と平行な測定用のレーザ光を出射して上記被溶接物からの距離を計測する距離計測センサと、該距離計測センサからの距離情報を記憶するメモリと、該メモリに記憶された情報に基づいて上記溶接用のレーザ光のスポットが上記被溶接物の溶接すべき部位に照射されるように上記昇降手段及び上記移動手段へ作動命令を送る中央情報処理手段とを含むレーザ溶接装置において、上記昇降手段、上記移動手段、上記レーザヘッド及び上記距離計測センサが上記ワーク台の周囲に複数組配置されていることを特徴とするレーザ溶接装置。
【請求項２】
上記中央情報処理手段は、予め記憶されている上記被溶接物の外形情報と、上記距離計測センサから得られる上記被溶接物までの距離情報とを比較して上記移動手段の座標位置を求め、得られた情報を上記移動手段への作動命令とする請求項１に記載のレーザ溶接装置。
【請求項３】
上記中央情報処理手段は、上記作動命令により移動した上記移動手段と上記被溶接物との間の距離を求め、得られた情報に基づいて上記レーザヘッドの焦点位置を溶接位置に合致させるべく、上記昇降手段及び上記移動手段を微動させる請求項２に記載のレーザ溶接装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信システムで用いられる光送信モジュールの光学系の組み立てに用いられる溶接装置に関し、特にレーザ溶接装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体レーザ素子、半導体レーザ用集光レンズ及び光ファイバをそれぞれの光軸が共通となるように筐体内に配置してレーザ溶接する光送信モジュールの組み立ての際に、これらの光部品の光軸が一致するように調心して光部品を位置決めしてＹＡＧレーザ溶接した後、光部品の光軸同士が互いにずれてしまい得られた光送信モジュールの光出力特性が設計値以下になることがある。このような場合には、熟練した作業者が光送信モジュールの光出力が設計値になるように光部品を手作業で位置合わせし、特定の方向（一方向若しくは二方向）からのみ光部品にガイドとしてのＨｅ−Ｎｅレーザ光を照射し、そのＨｅ−Ｎｅレーザ光のスポットにＹＡＧレーザのスポットが重なるように照射して光部品同士を再度ＹＡＧ溶接することで、光出力の補正を行っている。
【０００３】
しかし、Ｈｅ−Ｎｅレーザ光のスポットを目視しながら、ＹＡＧレーザに取り付けられた微動台を調整して、ＹＡＧレーザ光のスポットを照射させたい位置へ移動させる際、ＹＡＧレーザ光の照射による溶接径は、数百μｍしかないため、光送信モジュールをワーク台にセットしたときにその光送信モジュールが数度でも傾いた場合、特に二方向からＹＡＧレーザ光を照射しなければならないときは一箇所のみＹＡＧレーザ光の照射位置を合わせたとしても、残りの一箇所のＹＡＧレーザ光の位置が合わなくなることがある。このため、ＹＡＧレーザ溶接位置を調整する作業にはかなりの時間がかかっていた。
【０００４】
また、ＹＡＧレーザ光を照射する位置（Ｈｅ−Ｎｅレーザ光のスポット）が溶接位置にあったとしても、ＹＡＧレーザの焦点距離が適切でない場合がある。このような場合は、Ｈｅ−Ｎｅレーザ光のスポットの大きさを目視しながらＹＡＧレーザと光送信モジュールとの間の距離を調整することも必要となる。
【０００５】
このようにＹＡＧレーザ光の照射位置を自動的に検出してその照射位置へＨｅ−Ｎｅレーザ光のスポットを移動させて焦点位置の調整も行える装置が開発されている。
【０００６】
図６（ａ）は従来のレーザ溶接技術を用いた溶接装置の概念図であり、図６（ｂ）は図６（ａ）に示した溶接装置に用いられるビデオカメラの画像である。
【０００７】
同図（ａ）に示す溶接装置は、被溶接物としての光送信モジュール１をビデオカメラ２で撮影し、得られた画像データに二値化処理を施すことにより（図６（ｂ）参照。）、光送信モジュール１のエッジを検出し、その検出結果に基づいてレーザヘッド３から光送信モジュール１に溶接用のレーザ光４を照射する溶接点（この場合、光送信モジュールの最上端から鉛直下向きに距離Ａの部位）を求めるようになっている。図中、５は光送信モジュール１が載置されるワーク台、６は昇降部が鉛直上方若しくは鉛直下方（矢印７方向）に昇降する昇降ステージ、８は移動部が固定部に対して平行（矢印９方向）に移動する移動ステージ、１２は三角ブロックをそれぞれ示す（例えば、特許文献１参照）。
【０００８】
図７は他の従来のレーザ溶接技術を用いた溶接装置の概念図である。図８（ａ）は図７に示したレーザ溶接装置の問題点を説明するための説明図であり、図８（ｂ）は図８（ａ）に示したレーザ溶接装置に用いられるビデオカメラの画像である。尚、図６（ａ）に示した溶接装置と同様の部材には共通の符号を用いた。
【０００９】
図７に示す溶接装置は、レーザ変位計１０から照射されるレーザビーム１１ａにより光送信モジュール１の溶接位置を求め、その溶接位置にレーザヘッド３からレーザ光４を照射するようになっている。すなわち、この溶接装置は、レーザ変位計１０から照射されたレーザビーム１１ａの光送信モジュール１からの反射ビーム１１ｂが途絶えた（レーザ変位計１０に戻ってこなかった）部位を光送信モジュール１のエッジとして認識するものであり、例えば光送信モジュール１の最上端のエッジの位置から鉛直下向きに距離Ａの部位に溶接用のレーザ光４を照射させるものである（例えば、特許文献２参照。）。
【００１０】
【特許文献１】
特開平９−２６７１８６号公報
【特許文献２】
特開平６−７１４７０号公報
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、図６（ａ）、（ｂ）に示した従来の技術を用いて、溶接用のレーザ光４のスポットの光送信モジュール１への照射位置及び焦点合わせに利用すると、光送信モジュール１をワーク台５にセットしたときに、レーザヘッド３から見て横方向（紙面に対して垂直な方向）にずれたときは溶接用のレーザ光４の照射位置を修正することは可能である。
【００１２】
しかしながら、図８（ａ）に示すように光送信モジュール１がレーザヘッド３からのレーザ光４の光軸に沿う方向（矢印９方向）にずれたとき（レーザヘッド３から見て近づくか離れる方向にずれたとき）は、レーザ光４の光送信モジュール１へのスポットを正確に位置合わせすることができない。
【００１３】
つまり、この溶接装置は、光送信モジュール１の画像データを二値化画像で処理するので、実際に光送信モジュール１がレーザヘッド３に近づくか離れる方向に傾斜していても、画像処理済みの画面上で光送信モジュール１が傾斜していることを操作者が認識することができない（図８（ｂ）参照。）。
【００１４】
この場合、光送信モジュール１の最上端のエッジから点Ａの位置に溶接用のレーザ光４のスポットが移動したときに、レーザ光４を照射させたい位置からずれるおそれがある。また、このような場合、レーザヘッド３から光送信モジュール１までの距離は計測されないので、レーザ光４の焦点合わせをすることができないという問題があった。
【００１５】
一方、図７に示した従来技術を利用すると、光送信モジュール１の最上端のエッジから鉛直下向きにＡμｍ及びＢμｍの部位が溶接用のレーザ光４を照射する位置であるという情報があれば、溶接用のレーザ光４を照射させたい部位への自動的な移動は可能であり、レーザ光４の焦点調整も可能である。
【００１６】
しかしながら、図６（ａ）、（ｂ）に示した従来技術と同様に、光送信モジュール１をワーク台５にセットしたときに光送信モジュール１がレーザヘッド３に近づくか離れる方向にずれたときは、溶接すべき部位にレーザ光３を正確に照射することができないという問題があった。
【００１７】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、被溶接物が溶接用のレーザに近づくか離れる方向に傾斜していても溶接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。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１の発明は、レーザ溶接される被溶接物が載置されるワーク台と、ワーク台の近傍に配置され昇降部が昇降する昇降手段と、昇降部に設けられ移動部が被溶接物に近づくか離れる方向に移動する移動手段と、移動部に設けられ被溶接物に溶接用のレーザ光を照射するレーザヘッドと、レーザヘッドに設けられ光軸がレーザヘッドのレーザ光の光軸と平行な測定用のレーザ光を出射して被溶接物からの距離を計測する距離計測センサと、距離計測センサからの距離情報を記憶するメモリと、メモリに記憶された情報に基づいて溶接用のレーザ光のスポットが被溶接物の溶接すべき部位に照射されるように昇降手段及び移動手段へ作動命令を送る中央情報処理手段とを含むレーザ溶接装置において、昇降手段、移動手段、レーザヘッド及び距離計測センサがワーク台の周囲に複数組配置されているものである。
【００１９】
請求項２の発明は、請求項１に記載の構成に加え、中央情報処理手段は、予め記憶されている被溶接物の外形情報と、距離計測センサから得られる被溶接物までの距離情報とを比較して移動手段の座標位置を求め、得られた情報を移動手段への作動命令とするのが好ましい。
【００２０】
請求項３の発明は、請求項２に記載の構成に加え、中央情報処理手段は、作動命令により移動した移動手段と被溶接物との間の距離を求め、得られた情報に基づいてレーザヘッドの焦点位置を溶接位置に合致させるべく、昇降手段及び移動手段を微動させるのが好ましい。
【００２１】
本発明によれば、複数の昇降手段を昇降させて距離計測センサで被溶接物までの距離を計測し、中央情報処理手段で溶接用のレーザ光の照射位置を求め、溶接用のレーザ光の照射位置を決定する。レーザ光の照射位置までの距離が溶接用のレーザ光の焦点とずれていると中央情報処理手段が判断したときは、移動手段でレーザヘッドを移動させて溶接用のレーザ光の焦点を適切な位置に合わせる。この結果、被溶接物がレーザヘッドに近づくか離れる方向に傾斜していても正確に溶接することができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を添付図面に基づいて詳述する。
【００２３】
本実施の形態では、被溶接物が光送信モジュールであり、筐体の段差部を溶接する場合について述べる。
【００２４】
図１（ａ）は本発明のレーザ溶接装置の一実施の形態を示すワーク台周辺の配置図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）に示したレーザ溶接装置のワーク台周辺の側面図である。尚、図１（ａ）ではワーク台、昇降ステージ及び移動ステージは省略されている。
【００２５】
図１（ａ）、（ｂ）に示す５は、被溶接物としての光送信モジュール１が載置されるワーク台である。ワーク台５の近傍には、昇降手段としての昇降ステージ６−１〜６−４が、ワーク台５から等距離、かつ互いに等間隔になるように複数台（図では四台であるが限定されない。）配置されている。昇降ステージ６−１〜６−４の昇降部は例えばステッピングモータ１５−１〜１５−４とラックピニオンと摺動バーとで固定部（図示せず。）に対して鉛直上方若しくは鉛直下方（矢印７−１〜７−４方向）に昇降できるようになっている。
【００２６】
各昇降ステージ６−１〜６−４の昇降部上には、斜面のうちの最大傾斜面の延長線が光送信モジュールの中心に向くように三角ブロック１２−１〜１２−４がそれぞれ設けられている。三角ブロック１２−１〜１２−４の斜面には、移動ステージ８−１〜８−４が設けられている。尚、三角ブロック１２−１〜１２−４を用いる代わりに傾斜角の調整が可能な傾斜テーブルを用いてもよい。傾斜テーブルを用いる場合には、被溶接物の形状に応じて角度を調節することができる。
【００２７】
移動ステージ８−１〜８−４の移動部（図示せず。）は、例えばステッピングモータ１６−１〜１６−４とラックピニオンと摺動バーとで固定部（図示せず。）に対して平行（矢印９−１〜９−４方向）に移動することにより、光送信モジュール１に近づくか離れる方向に移動できるようになっている。
【００２８】
移動ステージ８−１〜８−４の移動部には溶接用のレーザ光（例えばＹＡＧレーザ光）を光送信モジュール１の溶接部位に照射するレーザヘッド３−１〜３−４がそれぞれ設けられている。各レーザヘッド３−１〜３−４には、光軸が各レーザヘッド３−１〜３−４のレーザ光４−１〜４−４の光軸と平行な測定用のレーザ光１３−１〜１３−４を出射して得られる反射レーザ光を受光することにより光送信モジュール１からの距離を計測したり、エッジを検出したりする距離計測センサとしてのレーザ距離計測機１４−１〜１４−４がそれぞれ設けられている。
【００２９】
図２は図１（ａ）、（ｂ）に示したレーザ溶接装置の制御系を示すブロック図である。なお、説明の都合上、昇降ステージ、三角ブロック、移動ステージ、レーザヘッド及び距離計測センサは一組だけ図示されている。
【００３０】
図２に示す１５−１は昇降ステージ６−１のステッピングモータであり、１６−１は移動ステージ８−１のステッピングモータであり、レーザ距離計測機１４−１と共に中央情報処理手段としてのＣＰＵ１７に接続されている。ＣＰＵ１７にはメモリ１８及び入力装置としてのキーボード１８が接続されている。図１（ａ）、（ｂ）に示した他の昇降ステージ６−２〜６−４、移動ステージ８−２〜８−４及びレーザ距離計測機１４−２〜１４−４もＣＰＵ１７にそれぞれ接続されている。尚、ＣＰＵ１７にはキーボード入力されたデータ等を表示するためのモニタが接続されていてもよい。
【００３１】
図３は図１（ａ）、（ｂ）及び図２に示したレーザ溶接装置の動作を説明するためのフローチャートである。図４（ａ）は図１（ａ）、（ｂ）に示したレーザ溶接装置の昇降ステージ及び移動ステージの動作を説明するための説明図であり、図４（ｂ）は昇降ステージとレーザ距離計測機との関係を示す図である。図４（ｂ）において、横軸は昇降ステージのステッピングモータの回転角度を示し、縦軸はレーザ距離計測機の出力を示す。
【００３２】
図示しない操作者は、被溶接物としての光送信モジュール１の特徴的な位置（例えば頂点）からの最適なレーザ照射位置等の情報を得るためにメモリ１８（図２参照。）に光送信モジュール１の形状及び寸法のデータをキーボード１９（図２参照。）で入力する。この光送信モジュール１の形状及び寸法のデータ情報を「メモリ情報１」とする。例えば、図４（ａ）に示す光送信モジュール１の隅肉の部位Ｃから鉛直上方に１８００μｍ離れた部位Ｂを溶接する場合における「光送信モジュール１の隅肉の部位Ｃから鉛直上方に１８００μｍ離れた部位Ｂにレーザ光４−１を所定時間照射する。」という情報である。
【００３３】
次にＣＰＵ１７（図２参照。）はレーザ光４−１の適切な焦点距離をメモリ１８に入力する。この焦点距離の情報を「メモリ情報２」とする（図３、ステップＳ１）。
【００３４】
ＣＰＵ１７は昇降ステージ６−１のステッピングモータ１５−１を作動させて昇降部を所定の高さまで昇降若しくは降下させる（ステップＳ２）。
【００３５】
ＣＰＵ１７は昇降ステージ６−１を作動させながら、レーザ距離計測機１４−１で、光送信モジュール１までの距離を計測する。計測して得られた光送信モジュール１までの距離情報は、メモリ１８に入力され、図４（ｂ）に示すようなレーザ距離計測機の値と昇降ステージのステッピングモータの値との関係を示す特性曲線として光送信モジュール１の形状を把握することができる。
【００３６】
この光送信モジュール１の形状の情報を「メモリ情報３」とする。「メモリ情報３」から昇降ステージ６−１の昇降部が初期の位置からどのくらいの高さ（座標位置）まで移動すれば、溶接用のレーザ光４−１の照射位置が適切な部位へ移動するのかが決定される（ステップＳ３）。
【００３７】
この移動情報に基づいて、ＣＰＵ１７が昇降ステージ６−１側に命令を送り、ステッピングモータ１５−１を作動させて昇降部を所定の高さまで上昇若しくは降下させることによりレーザヘッド３−１をレーザ光照射位置に設定する。このとき、ＣＰＵ１７は、レーザ距離計測機１４−１から光送信モジュール１までの計測された距離が最初に入力した焦点距離からずれているか否かを判断する（ステップＳ６）。
【００３８】
計測された光送信モジュール１までの距離が最初に入力した焦点距離からずれているとＣＰＵ１７が判断したときは、ステッピングモータ１６−１を作動させて、レーザヘッド３−１を光送信モジュール１に近づくか若しくは離れる方向に移動させることによりレーザヘッド３−１の位置を適切な焦点距離まで移動させる。ＣＰＵ１７はこれらの動作を他の３台の昇降ステージ６−２〜６−４及び移動ステージ８−２〜８−４に対して同時に行わせる（ステップＳ７）。
【００３９】
レーザ距離計測機１４−１から光送信モジュール１までの計測された距離が最初に入力した焦点距離からずれていないとＣＰＵ１７が判断したときは動作を終了する。
【００４０】
これらの動作により、ワーク台５に光送信モジュール１をセットしたときに、光送信モジュール１がレーザヘッド３−１に近づくか離れる方向に数度傾斜していても、図５（ａ）に示すような光送信モジュール１の傾斜が、図５（ｂ）に示すようにレーザ距離計測機１４−１の出力特性曲線に反映される。例えば昇降ステージ６−１のステッピングモータ１５−１の値（回転角度）は、光送信モジュール１の部位Ａに対してはＡＸ、部位Ｂに対してはＢＸ、部位Ｃに対してはＣＸとなる。
【００４１】
尚、図５（ａ）は図１（ａ）、（ｂ）に示したレーザ溶接装置の昇降ステージ及び移動ステージの動作を説明するための説明図であり、図５（ｂ）は昇降ステージとレーザ距離計測機との関係を示す図である。
【００４２】
この図５（ａ）、（ｂ）に示す関係のデータ、すなわち「メモリ情報３」と、「メモリ情報１（光送信モジュールの形状及び寸法の情報）」とをＣＰＵ１７上で重ね合わせることで、光送信モジュール１の特徴的な部位を検出することができる。この結果、光送信モジュール１がワーク台５にセットしたときに傾斜していても、レーザヘッド３−１〜３−４からの光送信モジュール１への溶接用のレーザ光の照射位置の検出が可能となる。また、レーザ距離計測機１４−１〜１４−４で光送信モジュール１までの距離を計測するので、同時に「メモリ情報２」を読み出してＣＰＵ１７が移動ステージ８−１〜８−４のステッピングモータ１６−１〜１６−４を作動させて移動部を移動させることによりレーザヘッド３−１〜３−４の焦点距離の調整をすることもできる。
【００４３】
以上において、本発明によれば、ワーク台５に光送信モジュール１をセットしたときに、光送信モジュール１がレーザヘッド３−１〜３−４に近づくか離れる方向に傾斜していても、光送信モジュール１へのレーザ光３−１〜３−４の照射位置を判断することができる。また、レーザ距離計測機１４−１〜１４−４でレーザ距離計測機１４−１〜１４−４から光送信モジュール１までの距離を計測しているので、同時に溶接用のレーザ光３−１〜３−４の焦点位置を調整することもできる。
【００４４】
従来は、光送信モジュール１の組み立て時に、試験的に光送信モジュール１を作動させて得られる光送信モジュール１からの出射光の光出力の値が最大となるように調心して溶接する際に、熟練した作業者が目視により、ガイドであるＨｅ−Ｎｅランプを用いて溶接用のレーザ光の照射位置と溶接用のレーザ光の焦点合わせとを行っていたが、本発明の適用により、光送信モジュール自体の光出力が増加する方向だけを作業者が見つければよくなる。この結果、光送信モジュールの組み立て、補修作業における工数を減少させることができる。
【００４５】
尚、本実施の形態では光送信モジュールを溶接する場合で説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００４６】
【発明の効果】
以上要するに本発明によれば、被溶接物が溶接用のレーザに近づくか離れる方向に傾斜していても溶接することができるレーザ溶接装置の提供を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は本発明のレーザ溶接装置の一実施の形態を示すワーク台周辺の配置図であり、（ｂ）は（ａ）に示したレーザ溶接装置のワーク台周辺の側面図である。
【図２】図１（ａ）、（ｂ）に示したレーザ溶接装置の制御系を示すブロック図である。
【図３】図１（ａ）、（ｂ）及び図２に示したレーザ溶接装置の動作を説明するためのフローチャートである。
【図４】（ａ）は図１（ａ）、（ｂ）に示したレーザ溶接装置の昇降ステージ及び移動ステージの動作を説明するための説明図であり、（ｂ）は昇降ステージとレーザ距離計測機との関係を示す図である。
【図５】（ａ）は図１（ａ）、（ｂ）に示したレーザ溶接装置の昇降ステージ及び移動ステージの動作を説明するための説明図であり、（ｂ）は昇降ステージとレーザ距離計測機との関係を示す図である。
【図６】（ａ）は従来のレーザ溶接技術を用いた溶接装置の概念図であり、（ｂ）は（ａ）に示した溶接装置に用いられるビデオカメラの画像である。
【図７】他の従来のレーザ溶接技術を用いた溶接装置の概念図である。
【図８】（ａ）は図７に示したレーザ溶接装置の問題点を説明するための説明図であり、（ｂ）は（ａ）に示したレーザ溶接装置に用いられるビデオカメラの画像である。
【符号の説明】
１　被溶接物（光送信モジュール）
３−１〜３−４　レーザヘッド
５　ワーク台
６−１〜６−４　昇降手段（昇降ステージ）
８−１〜８−４　移動手段（移動ステージ）
１４−１〜１４−４　距離計測センサ（レーザ距離計測機）
１５−１〜１５−４、１６−１〜１６−４　ステッピングモータ
【図１】
2004130361.tif 000003
【図２】
2004130361.tif 000004
【図３】
2004130361.tif 000005
【図４】
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【図５】
2004130361.tif 000007
【図６】
2004130361.tif 000008
【図７】
2004130361.tif 000009
【図８】
2004130361.tif 000010