(57)【要約】【課題】溶接部からの飛散物の付着を抑制しつつ小型化を実現可能な溶接部撮像装置及びこの溶接部撮像装置を備えた溶接装置を提供する。【解決手段】溶接部撮像装置２は、溶接部からの光を結像する非球面のレンズ３２と、前記溶接部からの光の一部を選択的に透過させる干渉フィルタ３３と、を含む入射光学系と、前記溶接部からの光の前記入射光学系への光路上にピンホール３５ａを備えると共に、前記入射光学系を外部から空間的に分離する光学系保護部３４と、前記入射光学系を通過した前記溶接部からの光の像を撮像する撮像部２０と、を備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶接部からの光を結像する非球面レンズと、前記溶接部からの光の一部を選択的に透過させる干渉フィルタと、を含む入射光学系と、
前記溶接部からの光の前記入射光学系への光路上にピンホールを備えると共に、前記入射光学系を外部から空間的に分離する光学系保護部と、
前記入射光学系を通過した前記溶接部からの光の像を撮像する撮像部と、を備える溶接部撮像装置。
【請求項２】
前記光学系保護部は、冷却機構を備える請求項１に記載の溶接部撮像装置。
【請求項３】
前記光学系保護部は、前記ピンホールの内側からガスを吹き出すガス吹き出し機構を備える請求項１又は２に記載の溶接部撮像装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一項に記載の溶接部撮像装置が取り付けられた溶接装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、溶接部を撮像するための溶接部撮像装置及び溶接部撮像装置を備えた溶接装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、溶接中に溶接部を撮像するための撮像装置が知られている。溶接部を撮像する撮像装置では、溶接部からの強い光を制御するための光学系と、ヒューム及びスパッタ等の溶接部からの飛散物から光学系を保護するための保護手段と、が必要である（例えば、特許文献１，２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平０７−２９９５６５号公報
【特許文献２】特開平０９−０３８７７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
溶接の状況をより詳細に確認するためには視野を十分に確保することが望まれる。しかしながら、従来用いられている溶接部撮像装置は光学系及び保護手段を設ける必要があり大型となってしまうことから、取り付け位置等に制限が生じて視野を十分に確保できない場合が考えられる。
【０００５】
本発明は上記を鑑みてなされたものであり、溶接部からの飛散物の付着を抑制しつつ小型化を実現可能な溶接部撮像装置及びこの溶接部撮像装置を備えた溶接装置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】
【０００６】
上記目的を達成するため、本発明の一形態に係る溶接部撮像装置は、溶接部からの光を結像する非球面レンズと、前記溶接部からの光の一部を選択的に透過させる干渉フィルタと、を含む入射光学系と、前記溶接部からの光の前記入射光学系への光路上にピンホールを備えると共に、前記入射光学系を外部から空間的に分離する光学系保護部と、前記入射光学系を通過した前記溶接部からの光の像を撮像する撮像部と、を備えることを特徴とする。
【０００７】
上記の溶接部撮像装置によれば、光学系保護部によって、入射光学系が外部から空間的に分離されているので、入射光学系に対して溶接部からの飛散物が付着することを防ぐことができる。また、光路上にピンホールが設けられていることで、光路上に飛散物が滞留することを防ぐことができる。さらに、ピンホールと非球面レンズとを備えていることで、溶接部撮像装置における収差を小さくすることができるため、入射光学系に用いられるレンズの枚数を減らすことができ、入射光学系の小型化を実現可能となる。
【０００８】
ここで、前記光学系保護部は、冷却機構を備える態様としてもよい。
【０００９】
上記のように冷却機構を備えることで、溶接部撮像装置を溶接部近傍に移動した場合であっても、熱による溶接部撮像装置の破損を防ぐことができる。
【００１０】
また、前記光学系保護部は、前記ピンホールの内側からガスを吹き出すガス吹き出し機構を備える態様としてもよい。
【００１１】
上記のようにガス吹き出し機構を備えることで、ピンホールの内側に溶接部からの飛散物が入ることを防止することができるため、飛散物の付着の抑制効果が高められる。
【００１２】
また、本発明の一形態に係る溶接装置は、上記の溶接部撮像装置が取り付けられたことを特徴とする。
【００１３】
上記のように、溶接装置に溶接部撮像装置が取り付けられることで、溶接部近傍をより好適に撮像することができる。また、溶接部を撮像するために溶接部撮像装置を載置するための場所を確保する必要がなく、より簡便に溶接部の撮像を行うことができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、溶接部からの飛散物の付着を抑制しつつ小型化を実現可能な溶接部撮像装置及びこの溶接部撮像装置を備えた溶接装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本実施形態に係る溶接部撮像装置を取り付けた溶接トーチを示す図である。
【図２】溶接部撮像装置の概略構成を説明する図である。
【図３】絞り部の概略構成を説明する図である。
【図４】ホルダの概略構成を説明する図である。
【図５】第１スペーサの概略構成を説明する図である。
【図６】第２スペーサの概略構成を説明する図である。
【図７】第３スペーサの概略構成を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための形態を詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１７】
図１は、本実施形態に係る溶接部撮像装置を取り付けた溶接トーチ（溶接装置）を示す図である。図１では、所謂ガスシールドアーク溶接の一種であるＴＩＧ溶接に用いられる溶接トーチ１であって、溶接部撮像装置２が取り付けられた例を示している。
【００１８】
溶接トーチ１は、タングステン電極１１の周囲に、シールドガスとしての不活性ガスを供給するガスノズル１２が配置されている。そして、不活性ガスをガスノズル１２から供給しながら、タングステン電極１１と溶接母材との間にアークを発生させ、アーク熱によって溶接母材と溶加棒とを溶融させて接合させる。作業者は、溶接トーチ１を移動させながら、溶接を実施する。このとき溶接部とは、タングステン電極１１の先端であり、アークが発生している箇所の近辺となる。
【００１９】
溶接部撮像装置２は、溶接トーチ１のガスノズル１２の側面に、基台３を介して取り付けられる。溶接部撮像装置２によってタングステン電極１１の先端近辺の溶接部を撮像可能なように、また、溶接部撮像装置２が作業者の作業に影響を与えないように、基台３の角度及び取り付け位置は調整される。
【００２０】
溶接部撮像装置２について、図２〜図７を参照しながら説明する。図２は、溶接部撮像装置２の概略構成を示す断面図であり、図３〜図７は溶接部撮像装置２を構成する各部材を説明する図である。
【００２１】
図２に示すように、溶接部撮像装置２は、撮像部２０と光学系収容部３０とを含み構成される。撮像部２０は、例えば、ＣＣＤ（Charge  Coupled  Devices）又はＣＭＯＳ（Complementary  Metal  Oxide  Semiconductor）のように複数の撮像素子が内部に平面状に配列され、入射した光を電荷に変換して電気信号として出力する機能を有する。撮像部２０は、ＣＣＤカメラ又はＣＭＯＳカメラとして実現される。撮像部２０は、内部の撮像素子へ入射する光の入口である円環筒状のマウント部２１を備え、マウント部２１の底面に、撮像部２０内と外部とを区画する透光性の開口部２２が形成される。
【００２２】
撮像部２０の大きさは、平面方向（光路Ｌ方向に対して垂直な方向）の外径が１０ｍｍ〜５０ｍｍとし、厚さ（光路Ｌ方向の長さ）が１０ｍｍ〜５０ｍｍ程度とすることができる。このような大きさの撮像部２０を用いることで、溶接トーチ１への取付けを容易とし、溶接部撮像装置２を取り付けた場合でも溶接トーチ１の操作性の低下を抑制することができる。
【００２３】
光学系収容部３０は、開口部２２の前段に設けられて、マウント部２１を経て撮像素子に入射する光に係る入射光学系と、この光学系を保護するための光学系保護部３４と、を有する。光学系収容部３０の大きさは、平面方向（光路Ｌ方向に対して垂直な方向）の外径が１０ｍｍ〜５０ｍｍとし、長さ（光路Ｌ方向の長さ）が１０ｍｍ〜５０ｍｍ程度とすることができる。
【００２４】
光学系収容部３０には、開口部２２に入射する光の光路上に、保護ガラス３１、レンズ３２及び干渉フィルタ３３がこの順に並んでいる。レンズ３２及び干渉フィルタ３３は、入射光学系として機能する。また、保護ガラス３１は、レンズ３２及び干渉フィルタ３３の前段に配置され、レンズ３２及び干渉フィルタ３３を保護する機能を有する。保護ガラス３１、レンズ３２及び干渉フィルタ３３は、光学系収容部３０の内部に収容されている。光学系保護部３４は、保護ガラス３１のほか、絞り部３５、ホルダ３６、第１スペーサ３７、第２スペーサ３８及び第３スペーサ３９を含んで構成される。
【００２５】
保護ガラス３１は、レンズ３２及び干渉フィルタ３３を外部から空間的に分離するための機能を有する。保護ガラス３１の前段には、絞り部３５によってピンホール３５ａが形成されていて、ピンホール３５ａを通過した光が、保護ガラス３１を経てレンズ３２に入射する。
【００２６】
レンズ３２は、ピンホール３５ａを通過して、保護ガラス３１を通過した光を結像して干渉フィルタ３３に対して出射する機能を有している。レンズ３２には、非球面レンズが用いられる。また、図２に示すように、レンズ３２として、平凸レンズを採用することもできる。また、レンズ３２は、溶接部撮像装置２の大きさ及びピンホール３５ａの大きさに対応して選択されるが、溶接部撮像装置２を小型化しつつ、画角を十分確保したいという観点から、レンズ３２として、ｆ７．５レンズ程度が好適に選択される。
【００２７】
干渉フィルタ３３は、光の一部を選択的に透過させる機能を有し、具体的には、溶接部からの光を抑制するために長波長側の光をカットする機能を有している。干渉フィルタ３３としては、例えば８５０ｎｍ以下の光のみを透過させるフィルタを用いることができるが、これに限定されない。すなわち、減光フィルタ等を干渉フィルタ３３として選択することもできる。干渉フィルタ３３は、撮像部２０の撮像素子との組み合わせや溶接の種類等に応じて適宜選択することが好ましい。
【００２８】
光学系保護部３４は、レンズ３２及び干渉フィルタ３３を内部に収容し、レンズ３２及び干渉フィルタ３３が収容された領域を外部に対して空間的に分離する。保護ガラス３１、レンズ３２及び干渉フィルタ３３は、ホルダ３６の内部に、第１スペーサ３７、第２スペーサ３８及び第３スペーサ３９と交互に収容される。そして、絞り部３５によってその上部が覆われる。
【００２９】
絞り部３５について、図３を参照しながら説明する。図３（Ａ）は、絞り部３５の平面図であり、図３（Ｂ）は絞り部３５の光路Ｌに沿った一部破断断面図である。絞り部３５は、中空の略円筒状をなす円筒部３５ｂと、ピンホール３５ａが形成される側の端部に向けて内径が小さくなるテーパ部３５ｃとを有する。絞り部３５は、例えば銅等のように熱伝導性が高く、加工性に優れている材料が好適に用いられるが、これに限定されるものではない。
【００３０】
絞り部３５における円筒部３５ｂの内壁は、円筒部３５ｂのうちテーパ部３５ｃ側に設けられて、内径がホルダ３６の外径に対応した第１内壁３５ｄと、第１内壁３５ｄよりも内径が広くマウント部２１の外径に対応した第２内壁３５ｅとを含んで構成される。また、テーパ部３５ｃの内径は、第１内壁３５ｄよりも小さい。円筒部３５ｂの側面には、固定用のネジ穴３５ｆが設けられる。また、テーパ部３５ｃの内部には、外部と連通する開口であるガス流入口３５ｇが設けられる。
【００３１】
ピンホール３５ａの孔径は、レンズ３２がｆ７．５レンズである場合、０．２ｍｍ〜１ｍｍとすることが好ましい。なお、ピンホール３５ａの孔径を小さくすることで、孔径が大きい場合と比較して、溶接部撮像装置２としてのＦ値を大きくすることができる。
【００３２】
ホルダ３６について、図４を参照しながら説明する。図４（Ａ）は、ホルダ３６の平面図であり、図４（Ｂ）はホルダ３６の光路Ｌに沿った一部破断断面図である。ホルダ３６は、絞り部３５の円筒部３５ｂ内に挿入して収容される略円筒状の部材であり、一端側（撮像部２０側）にフランジ部３６ａが形成されている。フランジ部３６ａを除くホルダ３６の本体部３６ｂの内径は、第１スペーサ３７、第２スペーサ３８及び第３スペーサ３９の外径に対応している。ホルダ３６には、ジュラルミン等のアルミニウム合金を用いることができるが、これに限定されるものではない。
【００３３】
第１スペーサ３７〜第３スペーサ３９について、図５〜図７を参照しながら説明する。
【００３４】
図５（Ａ）は第１スペーサ３７の平面図であり、図５（Ｂ）は第１スペーサ３７の光路Ｌに沿った断面図であり、図５（Ｃ）は、第１スペーサ３７の底面図である。第１スペーサ３７は、略円筒状の本体部３７ａと、本体部３７ａの一端側（撮像部２０側）の端部から下方（撮像部２０側）へ延びる対向配置された２つの脚部３７ｂと、を有する。本体部３７ａの内径は、レンズ３２を通過した光の外径に対応して決定される。また、脚部３７ｂは、干渉フィルタ３３をホルダ３６のフランジ部３６ａに対して固定するために設けられている。第１スペーサ３７には、ジュラルミン等のアルミニウム合金を用いることができるが、これに限定されるものではない。
【００３５】
図６（Ａ）は第２スペーサ３８の光路Ｌに沿った一部破断断面図であり、図６（Ｂ）は第２スペーサ３８の底面図である。第２スペーサ３８は、略円筒状をなしていて、内壁は、光路の形状に対応して傾斜している。第２スペーサ３８には、ポリテトラフルオロエチレン等の耐熱性を有する樹脂材料が好適に用いられるが、これに限定されるものではない。ただし、第２スペーサ３８の内径側はピンホール３５ａを通過した光の光路に近接しているので、反射光を抑制可能な材料を用いることが好ましい。
【００３６】
図７（Ａ）は第３スペーサ３９の光路Ｌに沿った一部破断断面図であり、図７（Ｂ）は第３スペーサ３９の底面図である。第３スペーサ３９は、略円筒状をなしている。内壁は、ピンホール３５ａを通過した光の光路に対応した内径を有する第１内壁３９ａと、保護ガラス３１の外径に対応した内径を有する第２内壁３９ｂとにより構成される。第３スペーサ３９には、ジュラルミン等のアルミニウム合金を用いることができるが、これに限定されるものではない。
【００３７】
図２に戻り、ガスチューブ４０は、銅系材料等により形成されていて、ガスボンベ（図示せず）等に接続されガスを供給可能とされる。本実施形態では、ガスチューブ４０は、不活性ガスを供給可能であるとする。
【００３８】
次に、図２を参照しながら、光学系収容部３０の撮像部２０への取り付けについて説明する。
【００３９】
まず、撮像部２０のマウント部２１にホルダ３６を挿入し、フランジ部３６ａを撮像部２０の開口部２２に当接させる。その後、干渉フィルタ３３をホルダ３６内に挿入した後に、第１スペーサ３７の脚部３７ｂによって干渉フィルタ３３の移動を規制しながら第１スペーサ３７をホルダ３６内に挿入する。これにより、干渉フィルタ３３がホルダ３６内に固定される。
【００４０】
その後、第１スペーサ３７の上部にレンズ３２を挿入し、その上部に第２スペーサ３８を挿入する。レンズ３２の外径は、ホルダ３６の内径に対応しているので、ホルダ３６内にレンズ３２を挿入することで、レンズ３２は位置決めされる。さらに、第２スペーサ３８の上部に保護ガラス３１を挿入した後に、上部から第３スペーサ３９を挿入する。保護ガラス３１の外周が第３スペーサ３９の第２内壁３９ｂに覆われるように第３スペーサ３９を配置することで、保護ガラス３１が位置決めされる。
【００４１】
その後、ホルダ３６の上部から絞り部３５を被せ、絞り部３５の第１内壁３５ｄとホルダ３６の外周とが対向し、絞り部３５の第２内壁３５ｅがマウント部２１の外周と対向する位置に配置する。これにより、第３スペーサ３９の上端（ピンホール３５ａ側）は、テーパ部３５ｃと当接する。この状態で、ネジ穴３５ｆにネジ４１を挿入して固定することで、光学系収容部３０と撮像部２０とが一体化される。さらに、ガス流入口３５ｇに対して、ガスチューブ４０を接続することで、溶接部撮像装置２が作成される。このとき、レンズ３２及び干渉フィルタ３３は、光学系保護部３４によって外部から空間的に分離された領域に配置される。
【００４２】
溶接部撮像装置２では、保護ガラス３１、第３スペーサ３９及びテーパ部３５ｃによって形成された領域に対して、ガスチューブ４０から溶接トーチ１で用いられる不活性ガスと同様の不活性ガスが供給される。ガスチューブ４０から領域に供給された不活性ガスは、ピンホール３５ａから、主に溶接部近辺方向へ向けて吹き出される。すなわち、ガスチューブ４０は、ピンホール３５ａから溶接部近辺方向の外部へ向けてガスを吹き出すガス吹き出し機構として機能する。不活性ガスがピンホール３５ａから外方へ吹き出された状態で、溶接部撮像装置２は、ピンホール３５ａから入射し、保護ガラス３１、レンズ３２及び干渉フィルタ３３を経た溶接部の光像を撮像部２０で撮像する。
【００４３】
ここで、本実施形態に係る溶接部撮像装置２は、溶接トーチ１に取り付けられて溶接部の撮像を行うことから、溶接部に非常に近接した状態で撮像を行うことになる。したがって、溶接部で生じたヒューム・スパッタ等が飛散して溶接部撮像装置２の光路上を塞いだ場合、溶接部撮像装置２における撮像が困難となる可能性がある。これに対して、溶接部撮像装置２では、レンズ３２及び干渉フィルタ３３を光学系保護部３４によって外部から空間的に分離された領域に配置されるため、溶接部からの飛散物等が入射光学系に付着することを防ぐことができる。特に、溶接部撮像装置２では、ピンホール３５ａのみが外部と絞り部３５内とを接続する空間であることから、ピンホール３５ａを経由して絞り部の内部に侵入して保護ガラス３１等に付着する飛散物を低減することができ、撮像部２０への光路上に飛散物が残留することを防ぐことができる。そして、入射光学系は空間的に分離しているため、レンズ３２及び干渉フィルタ３３のメンテナンス等も不要であり、取り扱い性が向上する。
【００４４】
さらに、ガスチューブ４０からピンホール３５ａを介して外部に不活性ガスを吹きだす構成を備えているため、ピンホール３５ａ内に飛散する飛散物をさらに低減することができる。
【００４５】
また、溶接部撮像装置２では、ピンホール３５ａから入射する光を非球面レンズであるレンズ３２によって結像させる構成を備えることにより、小型化が実現可能となっている。具体的には、まず、ピンホール３５ａを設けることで、溶接部撮像装置２としてのＦ値を大きくすることができる。Ｆ値を大きくすることで、レンズ３２による収差を小さくすることができる。さらに、レンズ３２として非球面レンズを用いることで、収差を小さくすることができる。従来は収差を吸収するために複数枚のレンズを組み合わせて入射光学系を作っていた。これに対して、溶接部撮像装置２では、Ｆ値を大きくすることにより、レンズ３２を非球面レンズとし、ピンホール３５ａを前段に配置することで、単レンズであっても撮像された画像の画質に影響を与えない程度の収差とすることが可能となる。したがって、溶接部撮像装置２では、レンズ３２を複数設けることによる大型化を防ぐことができる。
【００４６】
また、溶接部撮像装置２では、レンズ３２及び干渉フィルタ３３を光学系保護部３４に一体的に収容する構成としたことで、飛散物の付着防止のための構成を単純化することができると共に、光学系保護部３４の小型化が可能となる。
【００４７】
さらに、溶接部撮像装置２において、ピンホール３５ａから入射する光を非球面レンズであるレンズ３２によって結像させる構成を備えることで、溶接部と溶接部撮像装置２との間の距離が変動した場合にも、撮像対象の大きさが変わるだけでレンズ３２における結像が可能である。したがって、溶接トーチ１のように、溶接部との距離が変動する器具に対して溶接部撮像装置２を取り付けた場合であっても、溶接部との距離に拘らず溶接部の撮像を好適に行うことができる。
【００４８】
なお、溶接トーチ１のように作業者により取り扱われる溶接装置に溶接部撮像装置２が取り付けられる場合、溶接部撮像装置２と溶接部との距離が非常に近くなり、高温環境下に曝される場合がある。したがって、溶接部撮像装置２は、特に入射光学系を冷却可能な冷却機構を備えている態様とすることが好ましい。冷却機構は、入射光学系の周囲に取り付けられることが好ましいが、その構成は特に限定されない。単純な構成としては、例えば、図２に示すように絞り部３５において入射光学系の外周側に相当する位置に凹凸４２を形成して、入射光学系を空冷可能な構成とすることもできる。また、冷媒の流路等を絞り部３５の外側に配置する構成としてもよい。この場合にも、入射光学系を好適に冷却することができる。
【００４９】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限られない。例えば、上記実施形態では、溶接部撮像装置２を溶接トーチ１に取り付けた場合について説明したが、他の溶接装置に取り付ける構成としてもよい。他の溶接装置の一例としては、例えば、溶接面等が挙げられる。また、溶接装置に対する取り付け位置も、適宜変更することができる。したがって、上記実施形態では、溶接トーチ１のガスノズル１２に対して溶接部撮像装置２を取り付けた例を説明したが、これに限定されるものではない。
【００５０】
また、取り付ける溶接装置の種類及び溶接の種類等に応じて、溶接部撮像装置２のピンホール３５ａから吹き出すガス、すなわち、ガスチューブ４０から供給するガスの種類を変更することができる。例えば、ガスシールドアーク溶接に用いられる溶接装置に溶接部撮像装置２が取り付けられるのであれば、ガスチューブ４０から供給するガスをシールドガスとすることで溶接品質に影響を与えない状態で溶接部撮像装置２内部への飛散物の付着を抑制することができる。また、シールドガス等の特定の種類のガスが不要な溶接に用いられる溶接装置に溶接部撮像装置２が取り付けられるのであれば、ガスチューブ４０から供給するガスを空気とすることもできる。
【００５１】
さらに、飛散物の量が少ない溶接の場合には、ピンホール３５ａからガスを吹き出すガス吹き出し機構を備えていなくてもよい。この場合には、ガスチューブ４０等のピンホール３５ａの内部にガスを供給する構成も不要である。ガス吹き出し機構が不要な溶接としては、例えば、ＴＩＧ溶接等が挙げられる。
【００５２】
また、上記実施形態では、レンズ３２が単レンズである場合について説明したが、単レンズではなく複数枚のレンズによって構成されていてもよい。その場合であっても、少なくとも１枚のレンズには非球面レンズを採用することで、収差を小さくすることができるため、使用するレンズの枚数を少なくすることができ、装置を小型化しつつ、画質の高い画像の撮像が実現可能となる。
【００５３】
また、上記実施形態では、光学系保護部３４が、保護ガラス３１、絞り部３５、ホルダ３６、第１スペーサ３７、第２スペーサ３８、第３スペーサ３９、及びガスチューブ４０により構成される例について説明したが、部品点数等を減らす等、光学系保護部３４の部材構成及び形状は適宜変更することができる。
【符号の説明】
【００５４】
１  溶接トーチ
２  溶接物撮像装置
１１  タングステン電極
１２  ガスノズル
２０  撮像部
２１  マウント部
３０  光学系収容部
３１  保護ガラス
３２  レンズ
３３  干渉フィルタ
３４  光学系保護部
３５  絞り部
３６  ホルダ
３７  第１スペーサ
３８  第２スペーサ
３９  第３スペーサ
【図１】
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【図２】
2017024024.tif 000004
【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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