特開 2024-95070 ガルバノスキャナ、及び、ガルバノスキャナを用いて目標点の高さ位置を検出するための方法

(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】P2024095070

(43)【公開日】2024-07-10

(54)【発明の名称】ガルバノスキャナ、及び、ガルバノスキャナを用いて目標点の高さ位置を検出するための方法

(51)【国際特許分類】

   B23K 26/082 20140101AFI20240703BHJP

   B23K 26/03 20060101ALI20240703BHJP

【ＦＩ】

B23K26/082

B23K26/03

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022212079

(22)【出願日】2022-12-28

(71)【出願人】

【識別番号】000152675

【氏名又は名称】コマツＮＴＣ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000202

【氏名又は名称】弁理士法人新樹グローバル・アイピー

(72)【発明者】

【氏名】沖田 功

【テーマコード（参考）】

4E168

【Ｆターム（参考）】

4E168BA00

4E168CA06

4E168CB04

4E168CB12

4E168EA15

4E168EA17

(57)【要約】

【課題】ガルバノスキャナを用いて目標点の高さ位置を検出する。
【解決手段】ガルバノスキャナは、レーザー経路と、観察経路と、ガルバノミラーと、カメラと、コントローラとを備える。観察経路は、レーザー経路と同軸に配置される。カメラは、観察経路を介して、目標点を含む画像を示す画像データを生成する。コントローラは、レーザー経路と観察経路との光軸の角度が第１角度である場合に、画像データに基づいて、観察平面上における目標点の平面位置を示す第１平面位置を算出する。コントローラは、ガルバノミラーによって、レーザー経路と観察経路との光軸の角度を、第１角度と異なる第２角度に変更し、画像データに基づいて、観察平面上における目標点の平面位置を示す第２平面位置を算出する。コントローラは、第１平面位置と第２平面位置とに基づいて、観察平面に垂直な方向における目標点の高さ位置を算出する。
【選択図】図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

レーザー発振器からのレーザー光を対象物上の目標点に照射するガルバノスキャナであって、
前記レーザー光を前記目標点まで導くレーザー経路と、
前記レーザー経路に合流し、前記レーザー経路と同軸に配置され、前記目標点を含む画像を導く観察経路と、
前記レーザー経路と前記観察経路との光軸の角度を変更するように動作可能なガルバノミラーと、
前記観察経路を介して前記画像を撮影し、前記画像を示す画像データを生成するカメラと、
前記画像データに基づいて、所定の観察平面上における前記目標点の平面位置を算出するコントローラと、
を備え、
前記コントローラは、
前記レーザー経路と前記観察経路との光軸の角度が第１角度である状態で、前記観察平面上における前記目標点の平面位置を示す第１平面位置を算出し、
前記ガルバノミラーによって、前記レーザー経路と前記観察経路との光軸の角度を、前記第１角度と異なる第２角度に変更し、
前記レーザー経路と前記観察経路との光軸の角度が前記第２角度である状態で、前記観察平面上における前記目標点の平面位置を示す第２平面位置を算出し、
前記第１平面位置と前記第２平面位置とに基づいて、前記観察平面に垂直な方向における前記目標点の高さ位置を算出する、
ガルバノスキャナ。

【請求項2】

前記観察平面に垂直な方向における前記レーザー光の焦点の高さ位置を変更する可動レンズをさらに備え、
前記コントローラは、
前記可動レンズによって、前記目標点の高さ位置に従って前記レーザー光の焦点の高さ位置を変更する、
請求項１に記載のガルバノスキャナ。

【請求項3】

前記コントローラは、前記目標点の高さ位置に基づいて、前記レーザー光による前記対象物への加工の可否を判定する、
請求項１に記載のガルバノスキャナ。

【請求項4】

レーザー発振器からのレーザー光を対象物上の目標点に照射するガルバノスキャナを用いて、所定の観察平面に垂直な方向における前記目標点の高さ位置を検出するための方法であって、
前記ガルバノスキャナは、
前記レーザー光を前記目標点まで導くレーザー経路と、
前記レーザー経路に合流し、前記レーザー経路と同軸に配置され、前記目標点を含む画像を導く観察経路と、
前記レーザー経路と前記観察経路との光軸の角度を変更するように動作可能なガルバノミラーと、
を含み、
前記観察経路を介して取得された前記画像を示す画像データを取得することと、
前記レーザー経路と前記観察経路との光軸の角度が第１角度である状態で、前記画像データに基づいて、前記観察平面上における前記目標点の平面位置を示す第１平面位置を算出することと、
前記ガルバノミラーによって、前記レーザー経路と前記観察経路との光軸の角度を、前記第１角度と異なる第２角度に変更することと、
前記レーザー経路と前記観察経路との光軸の角度が前記第２角度である状態で、前記画像データに基づいて、前記観察平面上における前記目標点の平面位置を示す第２平面位置を算出することと、
前記第１平面位置と前記第２平面位置とに基づいて、前記観察平面に垂直な方向における前記目標点の高さ位置を算出すること、
を備える方法。

【請求項5】

前記目標点の高さ位置に従って前記レーザー光の焦点の高さ位置を変更することをさらに備える、
請求項４に記載の方法。

【請求項6】

前記目標点の高さ位置に基づいて、前記レーザー光による前記対象物への加工の可否を判定することをさらに備える、
請求項４に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ガルバノスキャナ、及び、ガルバノスキャナを用いて目標点の高さ位置を検出するための方法に関する。

【背景技術】

【0002】

ガルバノスキャナは、ガルバノミラーを備えており、ガルバノミラーを動作させてレーザー光の焦点位置を移動させる。それにより、ガルバノスキャナは、対象物上の所望の位置に溶接等の加工を施すことができる。

【0003】

また、ガルバノスキャナには、対象物上の目標点の位置を検出するための位置検出装置を備えるものがある。位置検出装置は、対象物の画像を解析することで、対象物上の目標点の位置を検出する。例えば、特許文献１では、位置検出装置として、画像検査用同軸カメラがガルバノスキャナに供えられている。画像検査用同軸カメラは、レーザー光と同じ経路で、対象物の画像を取得する。ガルバノスキャナは、対象物の画像を解析することで、対象物上の目標点の位置を検出する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１９－１２６８３２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

上述したガルバノスキャナでは、画像を検出するための位置検出装置の光軸上に位置する点は、全て同じ位置の点として検出されてしまう。そのため、目標点の高さ位置を検出することはできない。本開示の目的は、ガルバノスキャナを用いて目標点の高さ位置を検出することにある。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本開示の一態様に係るガルバノスキャナは、レーザー発振器からのレーザー光を対象物上の目標点に照射する。ガルバノスキャナは、レーザー経路と、観察経路と、ガルバノミラーと、カメラと、コントローラとを備える。レーザー経路は、レーザー光を目標点まで導く。観察経路は、レーザー経路に合流し、レーザー経路と同軸に配置される。観察経路は、目標点を含む画像を導く。ガルバノミラーは、レーザー経路と観察経路との光軸の角度を変更するように動作可能である。カメラは、観察経路を介して、画像を撮影し、画像を示す画像データを生成する。コントローラは、画像データに基づいて、所定の観察平面上における目標点の平面位置を算出する。コントローラは、レーザー経路と観察経路との光軸の角度が第１角度である状態で、観察平面上における目標点の平面位置を示す第１平面位置を算出する。コントローラは、ガルバノミラーによって、レーザー経路と観察経路との光軸の角度を、第１角度と異なる第２角度に変更する。コントローラは、レーザー経路と観察経路との光軸の角度が第２角度である状態で、観察平面上における目標点の平面位置を示す第２平面位置を算出する。コントローラは、第１平面位置と第２平面位置とに基づいて、観察平面に垂直な方向における目標点の高さ位置を算出する。

【0007】

本開示の他の態様に係る方法は、レーザー発振器からのレーザー光を対象物上の目標点に照射するガルバノスキャナを用いて、所定の観察平面に垂直な方向における目標点の高さ位置を検出するための方法である。ガルバノスキャナは、レーザー経路と、観察経路と、ガルバノミラーとを含む。レーザー経路は、レーザー光を目標点まで導く。観察経路は、レーザー経路に合流し、レーザー経路と同軸に配置される。観察経路は、目標点を含む画像を導く。ガルバノミラーは、レーザー経路と観察経路との光軸の角度を変更するように動作可能である。当該方法は、観察経路を介して取得された画像を示す画像データを取得することと、レーザー経路と観察経路との光軸の角度が第１角度である状態で、画像データに基づいて、観察平面上における目標点の平面位置を示す第１平面位置を算出することと、ガルバノミラーによって、レーザー経路と観察経路との光軸の角度を、第１角度と異なる第２角度に変更することと、レーザー経路と観察経路との光軸の角度が第２角度である状態で、画像データに基づいて、観察平面上における目標点の平面位置を示す第２平面位置を算出することと、第１平面位置と第２平面位置とに基づいて、観察平面に垂直な方向における目標点の高さ位置を算出すること、を備える。

【発明の効果】

【0008】

本開示によれば、ガルバノミラーによって、レーザー経路と観察経路との光軸の角度が互いに異なる画像が取得される。各画像から算出される目標点の第１平面位置と第２平面位置とは、レーザー経路と観察経路との光軸の角度の違いに応じて異なる。そのため、第１平面位置と第２平面位置とに基づいて、目標点の高さ位置を算出することができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】実施形態に係るレーザー加工システムの構成を示すブロック図である。

【図2】目標点の位置を算出するための処理を示すフローチャートである。

【図3】レーザー経路と観察経路との光軸と対象物とを示す模式図である。

【図4】カメラによる観察範囲の第１画像の一例を示す図である。

【図5】カメラによる観察範囲の第２画像の一例を示す図である。

【図6】高さの異なる部分を含む対象物の加工を行う場合の処理を示す図である。

【図7】目標点の高さ位置に応じて加工の可否を判断する場合の処理を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、図面を参照して実施形態に係るレーザー加工システムについて説明する。図１は、レーザー加工システム１の構成を示すブロック図である。レーザー加工システム１は、レーザー光により対象物を溶接するシステムである。図１に示すように、レーザー加工システム１は、レーザー発振器２とガルバノスキャナ３とを備える。レーザー発振器２は、光ファイバコネクタ４により、ガルバノスキャナ３と接続されている。

【0011】

ガルバノスキャナ３は、レーザー発振器２からのレーザー光を、対象物１００上の目標点Ｐ０に照射する。ガルバノスキャナ３は、レーザー発振器２からのレーザー光を、対象物１００上で移動させる。ガルバノスキャナ３は、ヘッド１１と、カメラ１２と、コントローラ１３とを含む。ヘッド１１は、レーザー経路１４を含む。レーザー経路１４は、レーザー光を、対象物１００上の目標点Ｐ０まで導く。

【0012】

ヘッド１１は、コリメートレンズ２１と、可動レンズ２２と、レンズアクチュエータ２３と、集光レンズ２４と、ダイクロイックミラー２５と、ガルバノミラー２６と、ミラーアクチュエータ２７と、を備える。レーザー経路１４は、コリメートレンズ２１と、可動レンズ２２と、集光レンズ２４と、ダイクロイックミラー２５と、ガルバノミラー２６とを通り、目標点Ｐ０に向かう経路である。

【0013】

コリメートレンズ２１は、レーザー発振器２からのレーザー光を平行光に変換する。可動レンズ２２は、レーザー経路１４に沿う方向に移動可能である。レンズアクチュエータ２３は、可動レンズ２２を、レーザー経路１４に沿う方向に移動させる。可動レンズ２２は、レーザー経路１４に沿う方向に移動することで、レーザー光の焦点の高さ方向の位置を変更する。高さ方向とは、対象物１００からヘッド１１に向かう方向を意味し、図面におけるＺ方向に相当する。ダイクロイックミラー２５は、集光レンズ２４を透過したレーザー光を、ガルバノミラー２６に向けて反射する。

【0014】

ガルバノミラー２６は、レーザー光を対象物１００に向けて反射する。ガルバノミラー２６は、回転可能に配置されている。ガルバノミラー２６は、回転することで、レーザー光の焦点の位置を移動させる。ガルバノミラー２６は、ミラーアクチュエータ２７に接続されている。ミラーアクチュエータ２７は、例えば電動モータである。ミラーアクチュエータ２７は、ガルバノミラー２６の回転角度を変更する。ガルバノミラー２６の回転角度が変更されることで、レーザー経路１４の光軸の角度が変更される。それにより、レーザー光の焦点の位置が変更される。

【0015】

ヘッド１１は、観察経路１５を含む。観察経路１５は、目標点Ｐ０を含む画像をカメラ１２へと導く。観察経路１５は、所定の観察範囲３０から、ガルバノミラー２６とダイクロイックミラー２５とを通り、カメラ１２に向かう経路である。観察経路１５は、レーザー経路１４に合流し、レーザー経路１４と同軸に配置される。詳細には、観察経路１５は、レーザー経路１４のうちダイクロイックミラー２５からガルバノミラー２６を通り目標点Ｐ０まで延びる部分と同軸に配置されている。

【0016】

観察範囲３０内にある対象物１００の画像を示す光（以下、単に「画像」と示す）は、ガルバノミラー２６で反射され、ダイクロイックミラー２５を透過して、カメラ１２へ到達する。カメラ１２は、単眼カメラである。カメラ１２は、観察経路１５を介して、観察範囲３０内の画像を撮影する。カメラ１２は、観察範囲３０内の画像を示す画像データを生成する。

【0017】

観察範囲３０の中心を通る観察経路１５の光軸は、レーザー経路１４の光軸と一致している。従って、レーザー光の焦点の位置は、観察範囲３０すなわち画像の中心と一致している。ガルバノミラー２６によって焦点の位置が移動すると、焦点の位置の移動に応じて、画像の観察範囲３０も移動する。

【0018】

レーザー発振器２からのレーザー光は、レーザー経路１４を通り、対象物１００上の目標点Ｐ０に照射される。詳細には、レーザー光は、レーザー発振器２から光ファイバコネクタ４を通って、ヘッド１１に送られる。レーザー光は、ヘッド１１内において、コリメートレンズ２１を通ることで、平行光に調整される。レーザー光は、可動レンズ２２と集光レンズ２４とを通り、ダイクロイックミラー２５において、ガルバノミラー２６に向かって反射される。レーザー光は、ガルバノミラー２６において反射され、対象物１００上の目標点Ｐ０に照射される。それにより、対象物１００が、目標点Ｐ０において、レーザー光によって溶接される。

【0019】

コントローラ１３は、ヘッド１１を制御して、レーザー光の焦点の位置を移動させる。コントローラ１３は、例えばプロセッサとメモリとを含む。コントローラ１３は、ミラーアクチュエータ２７を制御して、ガルバノミラー２６の回転角度を変更する。コントローラ１３は、ガルバノミラー２６の回転角度を制御することで、レーザー経路１４の光軸の角度を変更する。それにより、コントローラ１３は、Ｘ－Ｙ平面におけるレーザー光の焦点の位置（以下、平面位置と呼ぶ）を変更する。Ｘ－Ｙ平面は、上述した高さ方向に垂直な平面である。

【0020】

コントローラ１３は、レンズアクチュエータ２３を制御して、可動レンズ２２の位置を変更する。コントローラ１３は、可動レンズ２２の位置を制御することで、レーザー光の焦点の高さ方向（Ｚ方向）における位置を変更する。

【0021】

コントローラ１３は、入力されたプログラム及び溶接条件を示す設定データに従い、ガルバノミラー２６の回転角度と可動レンズ２２の位置とを制御することで、レーザー光の焦点を、対象物１００上で、所定の軌道に従って移動させる。それにより、対象物１００が、設定データに従って溶接される。

【0022】

また、コントローラ１３は、画像データに基づいて画像を解析することで、目標点Ｐ０の位置を算出する。図２は、目標点Ｐ０の位置を算出するための処理を示すフローチャートである。図２に示すように、ステップＳ１０１で、コントローラ１３は、レーザー経路１４と観察経路１５との光軸の角度を、第１角度Ａ１に設定する。コントローラ１３は、ガルバノミラー２６の回転角度を制御することで、レーザー経路１４と観察経路１５との光軸の角度を、第１角度Ａ１に設定する。それにより、図３に示すように、所定の観察平面ＰＬ１に対するレーザー経路１４と観察経路１５との光軸Ａｘ１の傾斜角度が第１角度Ａ１に設定される。なお、図３において、光軸Ａｘ１は、レーザー経路１４の光軸と、観察範囲３０の中心を通る観察経路１５の光軸とを示しており、観察平面ＰＬ１に対して第１角度Ａ１で傾斜している。

【0023】

ステップ１０２で、コントローラ１３は、第１画像データを取得する。図４に示すように、カメラ１２は、レーザー経路１４の光軸Ａｘ１の角度が第１角度Ａ１である状態での観察範囲３０を示す第１画像３１を、観察経路１５を通して取得する。コントローラ１３は、カメラ１２が生成した第１画像３１を示す第１画像データを取得する。

【0024】

ステップＳ１０３で、コントローラ１３は、第１平面位置Ｐ１を算出する。図３に示すように、第１平面位置Ｐ１は、観察平面ＰＬ１上における目標点Ｐ０の平面位置を示す。観察平面ＰＬ１は、上述したＸ－Ｙ平面に平行な平面である。コントローラ１３は、観察平面ＰＬ１に対して第１角度Ａ１で傾斜し、目標点Ｐ０を通る観察経路１５の光軸Ａｘ１’と観察平面ＰＬ１との交点を、第１平面位置Ｐ１として算出する。

【0025】

ステップＳ１０４で、コントローラ１３は、レーザー経路１４と観察経路１５との光軸の角度を、第２角度Ａ２に変更する。第２角度Ａ２は、第１角度Ａ１と異なる。コントローラ１３は、ガルバノミラー２６の回転角度を制御することで、レーザー経路１４と観察経路１５との光軸の角度を、第１角度Ａ１から第２角度Ａ２に変更する。図３において、光軸Ａｘ２は、観察平面ＰＬ１に対して第２角度Ａ２で傾斜したレーザー経路１４の光軸と、観察範囲３０の中心を通る観察経路１５の光軸とを示している、第１角度Ａ１と第２角度Ａ２とは予め定められて、コントローラ１３に記憶されていてもよい。或いは、第１角度Ａ１は、目標点Ｐ０の位置の検出開始時の初期値であり、コントローラ１３は、第１角度Ａ１に所定値を加えることで、第２角度Ａ２を算出してもよい。

【0026】

ステップ１０５で、コントローラ１３は、第２画像データを取得する。図５に示すように、カメラ１２は、レーザー経路１４の光軸Ａｘ２の角度が第２角度Ａ２である状態での観察範囲３０を示す第２画像３２を、観察経路１５を通して取得する。コントローラ１３は、カメラ１２が生成した第２画像３２を示す第２画像データを取得する。

【0027】

ステップＳ１０６で、コントローラ１３は、第２平面位置Ｐ２を算出する。図３に示すように、第２平面位置Ｐ２は、観察平面ＰＬ１上における目標点Ｐ０の平面位置を示す。コントローラ１３は、観察平面ＰＬ１に対して第２角度Ａ２で傾斜し、目標点Ｐ０を通る観察経路１５の光軸Ａｘ２’と観察平面ＰＬ１との交点を、第２平面位置Ｐ２として算出する。

【0028】

第１平面位置Ｐ１と第２平面位置Ｐ２とは、Ｘ－Ｙ平面における座標で示される。例えば、図４に示すように、第１平面位置Ｐ１は、座標（ｘ１，ｙ１）で示される。図５に示すように、第２平面位置Ｐ２は、座標（ｘ２，ｙ１）で示される。なお、本実施形態では、コントローラは、光軸を、Ｙ軸方向に固定して、Ｘ軸方向に移動させている。しかし、コントローラは、光軸を、Ｘ軸方向に固定して、Ｙ軸方向に移動させてもよい。或いは、コントローラは、光軸を、Ｘ軸方向とＹ軸方向とに移動させてもよい。

【0029】

ステップ１０７で、コントローラ１３は、目標点Ｐ０の高さ位置を算出する。コントローラ１３は、第１平面位置Ｐ１と第２平面位置Ｐ２と第１角度Ａ１と第２角度Ａ２とに基づいて、目標点Ｐ０の高さ位置を算出する。目標点Ｐ０の高さ位置は、Ｚ方向における座標で示される。

【0030】

以上のように、コントローラ１３は、カメラ１２が取得した目標点Ｐ０を含む画像３１，３１を解析することで、目標点Ｐ０の観察平面ＰＬ１における第１平面位置Ｐ１と第２平面位置Ｐ２とを検出する。そして、コントローラ１３は、第１平面位置Ｐ１と第２平面位置Ｐ２と光軸の角度Ａ１，Ａ２とから、観察平面ＰＬ１に垂直な方向における目標点Ｐ０の高さ位置を検出する。それにより、本実施形態に係るガルバノスキャナ３は、目標点Ｐ０の三次元位置を検出することができる。

【0031】

以上、本発明の一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定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。

【0032】

レーザー加工システム１による加工は、溶接に限らず、切断、或いはマーキングなどの他の加工であってもよい。ガルバノスキャナ３の構成は、上記の実施形態のものに限らず、変更されてもよい。例えば、コリメートレンズ２１、可動レンズ２２、集光レンズ２４、ダイクロイックミラー２５、或いはガルバノミラー２６の配置は、上記の実施形態のものに限らず、変更されてもよい。レーザー経路１４、或いは観察経路１５において、他のミラー、或いはレンズが追加されてもよい。

【0033】

コントローラ１３は、対象物１００の加工中に、目標点Ｐ０の高さ位置に従ってレーザー光の焦点の高さ位置を変更してもよい。例えば、図６に示すように、対象物１００が、高さの異なる第１部分１０１と第２部分１０２とを含む場合、コントローラ１３は、第１部分１０１の高さ位置Ｚ１と第２部分１０２の高さ位置Ｚ２とを検出する。コントローラ１３は、第１部分１０１を加工する場合には、第１部分１０１の高さ位置Ｚ１に合わせて、ガルバノミラー２６を制御する。コントローラ１３は、第２部分１０２を加工する場合には、第２部分１０２の高さ位置Ｚ２に合わせて、ガルバノミラー２６を制御する。それにより、ガルバノスキャナ３は、高さの異なる部分を含む対象物１００を、連続的かつ自動的に加工することができる。

【0034】

コントローラ１３は、加工の開始前に、目標点Ｐ０の高さ位置に基づいて、対象物１００への加工の可否を判定してもよい。例えば、図７に示すように、レーザー加工システム１に対象物１００が設置された後、加工の開始前に、コントローラ１３は、対象物１００の高さ位置Ｚ３を検出する。コントローラ１３は、対象物１００の高さ位置Ｚ３が、所定の基準位置の高さＺ４よりも低い場合には、加工を開始しない。或いは、コントローラ１３は、対象物１００の高さ位置Ｚ３が、所定の基準位置の高さＺ４よりも高い場合には、加工を開始しない。基準位置の高さＺ４は、例えば、レーザーの焦点の限界位置によって定められてもよい。コントローラ１３は、加工を開始しない場合には、警報を出力してもよい。警報は、例えば、ディスプレイに表示されてもよい。或いは、警報は、ランプの点灯であってもよい。

【産業上の利用可能性】

【0035】

本開示によれば、ガルバノスキャナを用いて目標点の高さ位置を検出することができる。

【符号の説明】

【0036】

２：レーザー発振器、 ３：ガルバノスキャナ、 １４：レーザー経路、 １５：観察経路、 １２：カメラ、 １３：コントローラ、 ２２：可動レンズ、 ２６：ガルバノミラー、 Ｐ０：目標点、 Ｐ１：第１平面位置、 Ｐ２：第２平面位置

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】