特開 2024-164985 スパッタ計測システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024164985

(43)【公開日】2024-11-28

(54)【発明の名称】スパッタ計測システム

(51)【国際特許分類】

   G01B 11/02 20060101AFI20241121BHJP

【ＦＩ】

G01B11/02 H

【審査請求】有

【請求項の数】3

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023080762

(22)【出願日】2023-05-16

(71)【出願人】

【識別番号】520184767

【氏名又は名称】プライムプラネットエナジー＆ソリューションズ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001195

【氏名又は名称】弁理士法人深見特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】吉田 敬

(72)【発明者】

【氏名】坂元 明

【テーマコード（参考）】

2F065

【Ｆターム（参考）】

2F065AA12

2F065AA21

2F065AA53

2F065CC15

2F065FF04

2F065HH04

2F065HH14

2F065JJ03

2F065JJ26

2F065LL59

2F065QQ31

(57)【要約】

【課題】スパッタの自発光量が少ない場合であっても、当該スパッタのサイズを精度よく計測する。
【解決手段】溶融部（６）を含む観察領域の画像を撮影するカメラ（３０）と、カメラ（３０）から視て観察領域の側面に向けてスポット光（２１Ｒ，２１Ｌ）を照射するスポット光源（１０Ｒ、１０Ｌ）と、カメラ（３０）によって撮影された画像に基づいてスパッタ（７）の大きさを計測する制御装置（１００）とを備える。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

溶接時に溶融する溶融部から飛散するスパッタの大きさを測定するスパッタ計測システムであって、
前記溶融部を含む観察領域の画像を撮影するカメラと、
前記カメラから視て前記観察領域の側面側から前記観察領域に向けてスポット光を照射するスポット光源と、
前記カメラによって撮影された画像に基づいて前記スパッタの大きさを計測する制御装置と、を備えるスパッタ計測システム。

【請求項2】

前記溶融部と前記カメラとの間に配置されたテレセントリックレンズをさらに備える、請求項１に記載のスパッタ計測システム。

【請求項3】

前記溶融部の位置は、前記テレセントリックレンズの被写界深度範囲に含まれており、
前記溶融部と前記スポット光源との間に配置され、前記スポット光の照射範囲を前記テレセントリックレンズの被写界深度範囲に合わせるためのスリットを有する部材をさらに備える、請求項２に記載のスパッタ計測システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、溶接時に発生するスパッタを計測する技術に関する。

【背景技術】

【0002】

金属の溶接時には、溶接時に溶融する溶融部の表面から、液滴状の溶融金属粒（スパッタ）が飛散する現象が生じる場合がある。スパッタは溶接後の製品品質を落とす場合があるため、スパッタの発生を抑えることが望ましい。そのためには、まず、スパッタの発生を計測することが望まれる。

【0003】

スパッタの発生を計測する装置の一例として、たとえば特開２０１９－１８８４２１号公報（特許文献１）には、溶接時に溶接部分をカメラで撮影して得られたデータを画像処理することによって、スパッタの数を計測することができる装置が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１９－１８８４２１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

溶融部から飛散するスパッタのなかには、自発光量の多いスパッタだけでなく、自発光量の少ないスパッタも含まれる。そのため、単純にカメラでスパッタを撮影しただけでは、溶融部から飛散するスパッタのうちの、自発光量の少ないスパッタの画像を撮影できず、当該スパッタおよびそのサイズを計測できない場合がある。

【0006】

本開示は、上述の課題を解決するためになされたものであって、その目的は、スパッタの自発光量が少ない場合であっても、当該スパッタのサイズを精度よく計測することである。

【課題を解決するための手段】

【0007】

（第１項） 本開示によるスパッタ計測システムは、溶接時に溶融する溶融部から飛散するスパッタの大きさを測定するスパッタ計測システムであって、溶融部を含む観察領域の画像を撮影するカメラと、カメラから視て観察領域の側面側から観察領域に向けてスポット光を照射するスポット光源と、カメラによって撮影された画像に基づいてスパッタの大きさを計測する制御装置と、を備える。

【0008】

（第２項） 第１項に記載のスパッタ計測システムにおいて、溶融部とカメラとの間に配置されたテレセントリックレンズをさらに備える。

【0009】

（第３項） 第２項に記載のスパッタ計測システムにおいて、溶融部の位置は、テレセントリックレンズの被写界深度範囲に含まれており、溶融部とスポット光源との間に配置され、スポット光の照射範囲をテレセントリックレンズの被写界深度範囲に合わせるためのスリットを有する部材をさらに備える。

【発明の効果】

【0010】

本開示によれば、スパッタの自発光量が少ない場合であっても、当該スパッタのサイズを精度よく計測することができる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】スパッタ計測システムの全体構成の一例を概略的に示す図である。

【図2】スパッタの計測原理を模式的に示す図（その１）である。

【図3】カメラによって撮影される観察領域の画像の一例を示す図である。

【図4】スパッタの計測原理を模式的に示す図（その２）である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

［システム構成］
図１は、本実施の形態によるスパッタ計測システム１の全体構成の一例を概略的に示す図である。金属製の母材２，３は、図示しないレーザ発生装置から発せられる加工用のレーザ光５によって溶接される。溶接時にレーザ光５が照射される箇所は、溶融して溶融部６となる。レーザ発生装置を溶接進行方向（図中のＹ方向）に移動させることによって、図中のＹ方向に延在する溶接ビードが形成される。なお、図中、Ｙ方向は上述の溶接進行方向を示し、Ｚ方向は母材２，３の法線方向を示し、Ｘ方向はＹ方向およびＺ方向に直交する方向を示す。

【0013】

母材２，３の溶接時には、溶融部６からスパッタ７が飛散する場合がある。スパッタ７は、溶接後の製品の品質を落とす場合がある。たとえば、蓄電池のセル端子とバスバーとを配線するための溶接である場合、スパッタ７が飛散すると、周辺に配置された配線を覆う樹脂被膜材をスパッタ７が侵して配線を短絡あるいは断線させたり、周辺に配置された基板の溶接ピン間にスパッタ７が付着して基板の回路を短絡させたりする要因となり得る。そのため、スパッタ７自体の発生を抑える、あるいは、スパッタ７が発生しても問題とならないことを確認しておくことが望ましい。そのためには、まず、スパッタの発生を計測することが望まれる。

【0014】

このような点に鑑み、本実施の形態によるスパッタ計測システム１は、溶融部６から飛散するスパッタ７の大きさ（寸法）を計測するように構成される。具体的には、スパッタ計測システム１は、スポット光源１０Ｒ，１０Ｌと、カメラ３０と、テレセントリックレンズ４０と、制御装置１００とを備える。

【0015】

カメラ３０は、レーザ光５によって溶融する溶融部６を含む観察領域の画像を高速撮影する。カメラ３０は、撮影によって得られた画像データを制御装置１００に出力する。なお、カメラ３０から視て観察領域の背面側には、光を反射しない暗幕４が配置されている。

【0016】

テレセントリックレンズ４０は、溶融部６とカメラ３０との間の光路に配置される。テレセントリックレンズ４０は、通常のレンズとは異なり、主光軸がレンズの光軸に対して平行な光を作り出すことができる特殊なレンズである。テレセントリックレンズ４０は、その光学特性上、カメラ３０と被写体との距離が変化しても被写体画像の大きさが変化しない領域（以下「被写界深度領域Ｒ１」とも称する）を有する。そのため、テレセントリックレンズ４０を介してカメラ３０で被写体であるスパッタ７を撮影することで、スパッタ７がテレセントリックレンズ４０の被写界深度領域Ｒ１に含まれる限り、スパッタ７の位置に関係なく（スパッタ７の位置が飛散によって焦点位置からずれても）スパッタ７の画像の大きさは変化せず、また、視差による画像の歪みも生じない。

【0017】

溶融部６から飛散するスパッタのなかには、自発光量の多いスパッタだけでなく、自発光量の少ないスパッタも含まれる。そのため、単純にカメラ３０でスパッタ７を撮影しただけでは、溶融部６から飛散するスパッタ７のうちの、自発光量の少ないスパッタの画像を撮影できず、当該スパッタおよびそのサイズを計測できない場合がある。

【0018】

このような点に鑑み、本実施の形態によるスパッタ計測システム１には、スポット光源１０Ｒ，１０Ｌが備えられている。スポット光源１０Ｒ，１０Ｌは、スパッタ観測用の照明光として、円錐状に広がるスポット光を発する。スポット光源１０Ｒ，１０Ｌは、溶融部６を挟んで互いに向き合う位置に配置される。

【0019】

スポット光源１０Ｒは、カメラ３０から視て、溶融部６を含む観察領域の右の側面に向けてスポット光を発する。具体的には、スポット光源１０Ｒは、制御装置１００からの指令によって高輝度の光を発生する光源１１Ｒと、光源１１Ｒが発生する光をスポット光にして溶融部６に向けて発する光源用レンズ１２Ｒとを含む。光源用レンズ１２Ｒの光軸は、カメラ３０の光軸と直交する。

【0020】

スポット光源１０Ｌは、カメラ３０から視て、溶融部６を含む観察領域の左の側面に向けてスポット光を発する。具体的には、スポット光源１０Ｌは、制御装置１００からの指令によって高輝度の光を発生する光源１１Ｌと、光源１１Ｌが発生する光をスポット光にして溶融部６に向けて発する光源用レンズ１２Ｌとを含む。光源用レンズ１２Ｌの光軸は、カメラ３０の光軸と直交する。

【0021】

制御装置１００は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）と、ＲＯＭ（Read Only Memory）およびＲＡＭ（Random Access Memory）等のメモリとを含む。制御装置１００は、母材２，３の溶接時に、スポット光源１０Ｒ，１０Ｌを作動させて溶融部６を含む観察領域を側面からスポット光で照らし、その状態でカメラ３０によって撮影された画像データに基づいて、溶融部６から飛散するスパッタ７の大きさを計測する。

【0022】

図２は、スパッタ計測システム１によるスパッタ７の計測原理を模式的に示す図である。スパッタ７の計測は、母材２，３の溶接中にインプロセスで行なわれる。

【0023】

カメラ３０によって撮影される観察領域には、テレセントリックレンズ４０の被写界深度領域Ｒ１と、被写界深度領域Ｒ１よりもカメラ３０から遠い遠隔領域Ｒ２と、被写界深度領域Ｒ１よりもカメラ３０に近い近接領域Ｒ３とが含まれる。なお、被写界深度領域Ｒ１は、焦点位置から数ｍｍ以内の範囲である。

【0024】

スパッタ７の計測中においては、溶融部６がテレセントリックレンズ４０の被写界深度領域Ｒ１に含まれるように、溶融部６とテレセントリックレンズ４０とのＹ方向の相対位置が調整される。さらに、スポット光２１Ｒ、２１Ｌが溶融部６を含む観察領域を照らすように、溶融部６と光源用レンズ１２Ｒ，１２ＬとのＹ方向の相対位置が調整される。さらに、本実施の形態においては、スポット光２１Ｒ、２１Ｌの照射範囲が被写界深度領域Ｒ１にほぼ合致するように、溶融部６と光源用レンズ１２Ｒ，１２ＬとのＸ方向の相対位置、あるいはスポット光２１Ｒ、２１Ｌの照射角度（広がり）が調整される。

【0025】

観察領域にスパッタ７が存在しない場合、スポット光２１Ｒ、２１Ｌによって照らされる対象物が観察領域に存在せずカメラ３０によって暗幕４のみが撮影されるため、観察領域の画像全体が暗点となる。

【0026】

一方、テレセントリックレンズ４０の被写界深度領域Ｒ１にスパッタ７が存在する場合、スパッタ７の左右の側面にスポット光２１Ｒ、２１Ｌがそれぞれ照射される。これにより、スパッタ７の左右の側面に拡散光（散乱光）が発生し、その拡散光のうちのテレセントリックレンズ４０を通過する平行光がカメラ３０で撮影される。そのため、スパッタ７の左右の側面形状が輝点として撮影される。すなわち、本実施の形態では、計測対象であるスパッタ７の側面にスポット光２１Ｒ，２１Ｌを照らすことで、スパッタ７の左右の側面形状をカメラ３０で撮像する。制御装置１００は、カメラ３０で撮影されたスパッタ７の側面形状から、スパッタ７の大きさを計測する。その結果、スパッタ７の自発光量が少ない場合であっても、当該スパッタ７およびそのサイズを精度よく計測することができる。

【0027】

図３は、カメラ３０によって撮影される観察領域の画像の一例を示す図である。観察領域の画像に含まれる輝点部７Ｒ，７Ｌは、被写界深度領域Ｒ１内に存在するスパッタ７の右側および左側のエッジ形状の画像である。制御装置１００は、輝点部７Ｒ，７Ｌの形状からスパッタ７全体の形状を推定し、推定された全体形状からスパッタ７の大きさ（寸法）を計測する。

【0028】

スパッタ７がテレセントリックレンズ４０の被写界深度領域Ｒ１内に存在する場合、スパッタの計測サイズは、スパッタの遠近に関係なくほぼ一定となる。したがって、スパッタ７が被写界深度領域Ｒ１に存在する限り、スパッタ７が飛散によって移動しても、スパッタ７の大きさ（寸法）を精度よく計測することができる。

【0029】

図２に戻って、スパッタが遠隔領域Ｒ２内あるいは近接領域Ｒ３内に存在する場合、スパッタの画像の大きさは、スパッタの遠近（カメラ３０までの距離）によって変化してしまい、スパッタの大きさを正確に計測することが難しくなる。

【0030】

この点に鑑み、本実施の形態においては、上述のように、スポット光２１Ｒ、２１Ｌの照射範囲が被写界深度領域Ｒ１にほぼ合致するように調整されている。そのため、遠隔領域Ｒ２および近接領域Ｒ３にあるスパッタは、スポット光２１Ｒ、２１Ｌによって照らされないため、観察領域の画像には映らない。これにより、遠近によって画像の大きさが変化する遠隔領域Ｒ２および近接領域Ｒ３に存在するスパッタ７は、寸法計測の対象から除外される。そのため、スパッタ７の計測精度が低下することが抑制される。

【0031】

以上のように、本実施の形態によるスパッタ計測システム１においては、スパッタ７の側面にスポット光２１Ｒ，２１Ｌを照射してスパッタ７の側面に拡散光（散乱光）を発生させ、その拡散光をカメラ３０で撮影することで、スパッタ７の側面形状を計測し、計測されたスパッタの側面形状からスパッタの大きさを計測する。その結果、スパッタ７の自発光量が少ない場合であっても、当該スパッタ７のサイズを計測できる。

【0032】

さらに、本実施の形態によるスパッタ計測システム１においては、溶融部６とカメラ３０との間に、テレセントリックレンズ４０が配置される。そのため、スパッタの遠近に関係なく、スパッタの大きさを精度よく計測できる。

【0033】

［変形例１］
上述の実施の形態においては、溶融部６と光源用レンズ１２Ｒ，１２ＬとのＸ方向の相対位置あるいはスポット光２１Ｒ、２１Ｌの照射角度を調整することによって、スポット光２１Ｒ、２１Ｌの照射範囲を被写界深度領域Ｒ１に合致させている。しかしながら、スポット光２１Ｒ、２１Ｌの照射範囲を被写界深度領域Ｒ１に合致させる手法は、このような手法に限定されない。

【0034】

図４は、本変形例１によるスパッタ計測システム１Ａによるスパッタ７の計測原理を模式的に示す図である。スパッタ計測システム１Ａは、上述の図１に示すスパッタ計測システム１に対して、スリット板５０Ｒ，５０Ｌを追加したものである。

【0035】

スリット板５０Ｒは、溶融部６と光源用レンズ１２Ｒとの間に配置され、スポット光２１Ｒの照射範囲をテレセントリックレンズ４０の被写界深度領域Ｒ１に合わせるためのスリット５１Ｒを有する。

【0036】

スリット板５０Ｌは、溶融部６と光源用レンズ１２Ｌの間に配置され、スポット光２１Ｌの照射範囲をテレセントリックレンズ４０の被写界深度領域Ｒ１に合わせるためのスリット５１Ｌを有する。

【0037】

このように、溶融部６と光源用レンズ１２Ｒ，１２Ｌとの間にスリット板５０Ｒ，５０Ｌを配置することによって、スポット光２１Ｒ、２１Ｌの照射範囲を被写界深度領域Ｒ１に合致させるようにしてもよい。

【0038】

［変形例２］
上述の実施の形態においては左右の２つのスポット光源１０Ｒ，１０Ｌでスパッタの左右の側面を照らしたが、１つのスポット光源でスパッタの左右のどちらか一方の側面を照らすようにしてもよい。このようにしても、スパッタの左右のどちらか一方の側面の形状を計測し、計測された側面形状からスパッタ７全体の形状を推定し、推定された全体形状からスパッタ７の大きさを計測することができる。

【0039】

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本開示の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

【符号の説明】

【0040】

１，１Ａ スパッタ計測システム、２，３ 母材、４ 暗幕、５ レーザ光、６ 溶融部、７ スパッタ、７Ｌ，７Ｒ 輝点部、１０Ｌ，１０Ｒ スポット光源、１１Ｌ，１１Ｒ 光源、１２Ｌ，１２Ｒ 光源用レンズ、２１Ｌ，２１Ｒ スポット光、３０ カメラ、４０ テレセントリックレンズ、５０Ｌ，５０Ｒ スリット板、５１Ｌ，５１Ｒ スリット、１００ 制御装置、Ｒ１ 被写界深度領域、Ｒ２ 遠隔領域、Ｒ３ 近接領域。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】