JP5609458B2 - レーザ照射位置情報取得方法及びレーザの焦点合わせ方法 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ溶接に使われるレーザ溶接装置に係り、詳しくは、レーザの焦点位置ズレを補正するためのレーザ照射位置情報取得方法及びレーザの焦点合わせ方法に関する。

従来、この種の技術として、例えば、下記の特許文献１に記載のレーザ補正技術が知られている。この補正技術は、レーザの焦点位置のズレを補正するために、光センサを基準にして、レーザヘッドの高さ方向の位置ズレを補正するようになっている。

すなわち、この補正方法では、複数の光センサを配置した検出面を有する照射位置検出装置を、レーザ加工対象物が配置されるワーク面上に配置する。そして、照射位置検出装置の検出面を、レーザによって走査し、検出面の光センサがレーザによって照射されたときのレーザの照射目標位置とワーク面上での光センサの位置とに基づき、レーザの照射目標位置と照射位置とのズレを補正するようになっている。ここで、ワーク面上での照射位置検出装置の複数の配置位置を、少なくとも１又は複数の光センサが重なり合うように規定する。そして、重なり合うべき光センサから得られた照射目標位置の測定値のズレに基づいて、配置位置の各々における光センサの位置のズレを補正するようになっている。

特開２００９−１０１３８３号公報

ところが、特許文献１に記載の技術では、レーザがワーク面に対して斜めから照射された場合に、焦点位置に誤差を含んでしまうこととなった。このため、レーザの焦点を高精度に補正することが難しかった。

ここで、レーザヘッドの高さ方向（Ｚ方向）のズレ量を測定するには、レーザヘッドを上下動させる移動機構が必要となる。しかし、レーザヘッドを上下動させた場合、レーザヘッドの移動方向の芯ズレの影響によるズレ量の発生（ＸＹ方向にも影響）が問題となる。また、一般的に、レーザヘッドを容易に移動させるためには、ＮＣ軸によって動かすこととなり、管理すべき箇所が増え、作業性がよくなかった。

この発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、レーザヘッドを移動させることなくＸＹ方向とＺ方向の正確なレーザ照射位置情報を取得することを可能としたレーザ照射位置情報取得方法を提供することにある。この発明の別の目的は、レーザの焦点を容易にかつ高精度に合わせることを可能としたレーザの焦点合わせ方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、定位置に固定したレーザヘッドからレーザを発射して樹脂プレートの同一表面に複数点照射することにより、ＸＹ方向におけるレーザ照射位置情報を得ることと、第１高さを有する第１嵩上げブロックと、第２高さを有する第２嵩上げブロックとを有し、樹脂プレートを配置する治具に対し、第１嵩上げブロック及び第２嵩上げブロックを使用し、樹脂プレートの高さを３段階に変えて、各段階において、レーザヘッドからレーザを発射して樹脂プレートの同一表面に複数点照射することにより、ＸＹ方向におけるレーザ照射位置情報を得ると共に、高さの異なるＺ方向におけるレーザ照射位置情報を得ることとを備えたことを趣旨とする。

上記発明の構成によれば、樹脂プレートの高さを３段階に変えて、各段階において、レーザヘッドからレーザを発射して樹脂プレートの同一表面に複数点照射することにより、ＸＹ方向におけるレーザ照射位置情報を得ると共に、高さの異なるＺ方向におけるレーザ照射位置情報を得るようにしている。従って、レーザヘッドを移動させる移動機構を設けることなく、樹脂プレートとレーザヘッドとの間の距離、すなわちレーザの焦点距離に係るレーザ照射位置情報が得られる。

上記目的を達成するために、請求項２に記載の発明のレーザの焦点合わせ方法は、請求項１に記載のレーザ照射位置情報取得方法により得られたＺ方向におけるレーザ照射位置情報に基づき、レーザヘッドのＺ方向における位置を微調整することにより、レーザの焦点合わせをすることを趣旨とする。

上記発明の構成によれば、得られたＺ方向におけるレーザ照射位置情報に基づき、レーザヘッドのＺ方向における位置を微調整することにより、レーザの焦点を合わせるようにしている。従って、Ｚ方向の焦点ズレがある場合に、そのズレが補正される。

請求項１に記載の発明によれば、レーザヘッドを移動させることなくＸＹ方向とＺ方向の正確なレーザ照射位置情報を取得することができる。

請求項２に記載の発明によれば、レーザの焦点を容易にかつ高精度に合わせることができる。

第１実施形態に係り、レーザ溶接装置を示す斜視図。 同実施形態に係り、電池セルを示す斜視図。 同実施形態に係り、レーザの焦点合わせ方法の手順を示すフローチャート。 同実施形態に係り、治具台上の治具と樹脂プレートを分解して示す斜視図。 同実施形態に係り、治具台上の治具と樹脂プレートを示す斜視図。 同実施形態に係り、樹脂プレートを示す斜視図。 同実施形態に係り、レーザ溶接装置を示す斜視図。 同実施形態に係り、樹脂プレート上におけるドット点を示す平面図。 同実施形態に係り、樹脂プレート上におけるドット点を示す平面図。 同実施形態に係り、樹脂プレート上におけるドット点を示す平面図。 同実施形態に係り、治具に第１嵩上げブロックと樹脂プレートを設置した状態を示す斜視図。 同実施形態に係り、第１嵩上げブロックを使用したレーザ溶接装置を示す斜視図。 同実施形態に係り、治具に第２嵩上げブロックと樹脂プレートを設置した状態を示す斜視図。 同実施形態に係り、第２嵩上げブロックを使用したレーザ溶接装置を示す斜視図。 同実施形態に係り、レーザヘッドと３つの樹脂プレートとの関係を模式的に示す斜視図。 同実施形態に係り、（ａ）〜（ｃ）は、３つの樹脂プレートにおけるドット点の配置を模式的に示す平面図。 同実施形態に係り、焦点位置からの距離とズレ量との関係を示すグラフ。 同実施形態に係り、レーザ溶接装置を示す平面図。 同実施形態に係り、レーザ溶接装置の一部を示す背面図。 同実施形態に係り、下側の固定ブロックを拡大して示す背面図。 従来技術に係り、レーザヘッドとセンサとの関係を示す模式図。 従来技術に係り、レーザヘッドとセンサとの関係を示す模式図。 従来技術に係り、レーザヘッドとワーク照射上面及びセンサ受光面との関係を模式的に示す斜視図。 従来技術に係り、センサ受光面におけるドット点の配置を模式的に示す平面図。 第２実施形態に係り、レーザ溶接装置等を示す斜視図。 同実施形態に係り、レーザ溶接装置を示す正面図。 同実施形態に係り、レーザ溶接装置を示す正面図。 同実施形態に係り、制御プログラムの内容を示すフローチャート。 同実施形態に係り、制御プログラムの内容を示すフローチャート。 同実施形態に係り、レーザ溶接装置を示す正面図。 同実施形態に係り、コールド状態から一定時間間隔でレーザ出力を測定した結果を示すグラフ。 従来技術に係り、溶接回数に対するレーザ出力測定値との関係を示すグラフ。 同実施形態に係り、溶接回数に対するレーザ出力測定値との関係を示すグラフ。

＜第１実施形態＞
以下、本発明のレーザ焦点合わせ方法を具体化した第１実施形態につき図面を参照して詳細に説明する。

図１に、ニッケル水素（ＮｉＭＨ）電池セルの集電板を溶接するために使用されるレーザ溶接装置１を斜視図により示す。図２に、ワークとしての電池セル２を斜視図により示す。図２に示すように、電池セル２は、互いに対向配置された一対の集電板１１，１２と、それら集電板１１，１２の間に積層配置された複数枚の極板１３とを備える。各極板１３は、各集電板１１，１２に対してレーザにより溶接されている。この場合、溶接箇所１４は、各集電板１１，１２のそれぞれに４箇所存在する。

図１に示すように、レーザ溶接装置１は、機枠２１と、機枠２１に支持されたレーザヘッド２２と、機枠２１にてレーザヘッド２２の下方に配置された治具台２３とを備える。機枠２１は、背板２４と、背板２４の両側に配置された一対の側板２５，２６と、両側板２５，２６の間にて、高さ方向に水平に２段に配置された下板２７及び中板２８とを含む。レーザヘッド２２は、背板２４の上部に位置微調節可能に固定される。中板２８は、レーザヘッド２２の下方に配置され、レーザヘッド２２から発射されるレーザの通過を許容する孔２８ａを有する。底板２７の上には、治具台２３が設けられる。治具台２３の上には、治具２９が設置される。治具２９の上には、測定用の樹脂プレート３０が設置される。

図２に示す電子セル２において、溶接位置にズレが生じると、端部の極板１３の未着不良につながるおそれがある。この溶接位置のズレ量の許容値は、ワーク（集電板１１，１２と極板１３の相対位置）のズレ量、治具２９のズレ量、レーザのズレ量に割り振ることができる。ここで、レーザのズレ量は、レーザヘッド２２からワークまでの間の設置距離（焦点距離）に大きく左右される。この発明は、上記した重要な焦点距離を正確かつ簡易的に求めることのできるレーザの焦点合わせ方法に関する。

次に、レーザの焦点合わせ方法について詳しく説明する。図３に、この方法の手順をフローチャートにより示す。

図３（１）に示す第１の工程では、レーザ溶接装置１に治具２９と樹脂プレート３０を設置する。すなわち、図４，５に斜視図により示すように、治具台２３の上に治具２９を設置し、その上にワークである樹脂プレート３０を設置する。

このとき、樹脂プレート３０の基準面３０ａ，３０ｂを利用して、レーザ照射時のための樹脂プレート３０の位置決めを行う。すなわち、図６に斜視図により示すように、樹脂プレート３０は、平面視で長方形状をなし、所定の厚みを有する直方体形状をなす。この樹脂プレート３０の４つの外周面のうち、隣り合う２つの外周面が基準面３０ａ，３０ｂとなっている。これら基準面３０ａ，３０ｂ以外の外周面には、矢印が付されて基準面３０ａ，３０ｂを判別できるようになっている。

図４，５に示すように、治具２９は、精度確認プレート３１と、その上に載置された照射確認プレート３２とから構成される。照射確認プレート３２の上面外周縁には、隣り合う２辺に沿って、それぞれ複数の位置決めピン３３が配列される。図５に示すように、照射確認プレート３２の上に樹脂プレート３０を載せたときに、位置決めピン３３が樹脂プレート３０の基準面３０ａ，３０ｂと接することで、樹脂プレート３０を照射確認プレート３２の上で正確に位置決めできるようになっている。

次に、図３（２）に示す第２の工程では、樹脂プレート３０にレーザを照射する。すなわち、図７に斜視図により示すように、レーザヘッド２２を動作させ、低出力（約３００Ｗ）により、樹脂プレート３０にレーザＬＡを照射して、９箇所のドット打ちを行う。

ここで、レーザヘッド２２には、レーザ発振器（図示略）で増幅したレーザが光りファイバを通って入射するようになっている。入射したレーザは、ミラー（一般にガルバノミラーと称する。）に反射してレンズを通してワークである樹脂プレート３０に達するようになっている。そして、ミラーを可動させることにより、レーザを走査し、レーザの照射位置を狙った位置にコントロールできるようになっている。

図８に、樹脂プレート３０上における９箇所のドット打ちの点（ドット点）Ｐの配置を平面図により示す。各ドット点Ｐは、樹脂プレート３０の２つの基準面３０ａ，３０ｂの交差角を原点Ｏとして配置される。ここで、各ドット点ＰへのレーザＬＡの照射は、レーザヘッド２２の中でレーザＬＡの発射位置を水平方向へ変位させることにより行われる。

ここで、樹脂プレート３０を黒色にすることにより、レーザのドット跡が白く焼けることとなり、測定時にドット点Ｐの境目が分かりやすくなる。このため、ドット点Ｐの寸法測定がし易くなり、より正確な測定を行うことができるようになる。プレートの材質に樹脂を用いるのは、ドット点Ｐの形状が真円に近くなるためであり、ドット点Ｐの位置を正確に測定できるためである。これに対し、プレートの材質に金属を用いた場合、表面の状態により、均等に溶けなくなり、ドット点Ｐの形状が楕円となることがあり、正確な中心位置を出せなくなることがある。

ここで、レーザ溶接装置１におけるレーザヘッド２２の位置が、高さ方向（Ｚ方向）にずれていた場合は、図９に実線で示す正規のドット点Ｐに対し、同図に２点鎖線で示すように、非正規のドット点Ｐａ，Ｐｂの配置となる。ここで、一方の非正規のドット点Ｐａは、樹脂プレート３０がレーザヘッド２２の焦点距離より離れている場合を示し、他方の非正規のドット点Ｐｂは、樹脂プレート３０がレーザヘッド２２の焦点距離より近い場合を示す。また、レーザヘッド２２の座標軸の回転がずれていた場合は、図１０に実線で示す正規のドット点Ｐに対し、同図に２点鎖線で示すように、非正規のドット点Ｐｃが所定角度θだけ回転することとなる。

上記のようにレーザＬＡを樹脂プレート３０に照射してドット打ちすることは、次のようなメリットがある。すなわち、従来は、ガイド光（目視可能な赤外線）を用いて、溶接対象物とのズレ量を目視により測定することがあった。このため、ガイド光の光軸幅の影響と目視による測定誤差により、精度良くズレ量を測定することが難しかった。これに対し、本実施形態では、樹脂プレート３０を用いることで、レーザ照射時と測定時の基準をそろえることができ、測定に電子顕微鏡を用いることができる。このため、精密な測定が可能となり、より正確な位置ズレ量を知ることができる。更に、樹脂プレート３０から、Ｚ方向のズレ量、ＸＹ方向のズレ量及び座標軸の回転角度のズレ量という、補正に必要な情報の全てを取得することが可能となる。このため、高精度の溶接位置を必要とする部品については、その溶接品質の確保に貢献することができる。

次に、図３（３）に示す第３の工程では、治具２９から樹脂プレート３０を取り外す。

次に、図３（４）に示す第４の工程では、第１嵩上げブロック３４と樹脂プレート３０を設置する。すなわち、図１１に斜視図により示すように、治具２９に第１嵩上げブロック３４を設置し、その上に新たな樹脂プレート３０を設置する。ここで、第１嵩上げブロック３４は、精度確認プレート３１と照射確認プレート３２との間に設置することとなる。この実施形態で、第１嵩上げブロック３４は、図５に示す状態から、樹脂プレート３０を、例えば「１００（ｍｍ）」持ち上げることができるように設定される。

次に、図３（５）に示す第５の工程では、樹脂プレート３０にレーザを照射する。すなわち、図１２に斜視図により示すように、レーザヘッド２２を動作させ、低出力（約３００Ｗ）により、樹脂プレート３０にレーザＬＡを照射して、９箇所のドット打ちを行う。

次に、図３（６）に示す第６の工程では、治具２９から第１嵩上げブロック３４と樹脂プレート３０を取り外す。

次に、図３（７）に示す第７の工程では、第２嵩上げブロック３５と樹脂プレート３０を設置する。すなわち、図１３に斜視図により示すように、治具２９に第２嵩上げブロック３５を設置し、その上に新たな樹脂プレート３０を設置する。ここで、第２嵩上げブロック３４は、精度確認プレート３１と照射確認プレート３２との間に設置することとなる。この実施形態で、第２嵩上げブロック３５は、図５に示す状態から、樹脂プレート３０を、例えば「２００（ｍｍ）」持ち上げることができるように設定される。

次に、図３（８）に示す第８の工程では、樹脂プレート３０にレーザを照射する。すなわち、図１４に斜視図により示すように、レーザヘッド２２を動作させ、低出力（約３００Ｗ）により、樹脂プレート３０にレーザＬＡを照射して、９箇所のドット打ちを行う。

その後、図３（９）に示す第９の工程では、樹脂プレート３０を基準面３０ａ，３０ｂから測定する。すなわち、図８に示すように、樹脂プレート３０上に形成されたドット点Ｐの基準面３０ａ，３０ｂからの距離Ｄ１，Ｄ２をそれぞれ測定する。このとき、第２の工程、第５の工程及び第８の工程で、Ｚ方向の高さを変えてレーザを照射した異なる３枚の樹脂プレート３０のそれぞれにつき、上記の測定を行う。

上記した第１〜第８の工程では、図１５に示すように、レーザヘッド２２との距離が３段階に異なる３つの樹脂プレート３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃの照射上面に、同様にレーザをドット打ちにより照射している。これにより、図１６（ａ）〜（ｃ）に示すように、３枚の樹脂プレート３０Ａ〜３０Ｃのそれぞれについて９個のドット点Ｐが打たれている。第９の工程では、これらドット点Ｐにつき、Ｘ座標、Ｙ座標、Ｚ座標の位置をそれぞれ測定するのである。

例えば、図１６（ａ）に示すように、一番下に位置する（レーザヘッド２２からの距離が一番遠い）樹脂プレート３０Ａにつき、ドット点Ｐ（０−１），Ｐ（０−２），Ｐ（０−３），Ｐ（０−４）・・・に関するレーザ照射位置情報を測定する。これにより、例えば、Ｐ（０−１）＝（ｘ０１，ｙ０１，０）、Ｐ（０−２）＝（ｘ０２，ｙ０２，０）、Ｐ（０−３）＝（ｘ０３，ｙ０３，０）、Ｐ（０−４）＝（ｘ０４，ｙ０４，０）・・・の情報が得られる。

同様に、図１６（ｂ）に示すように、下から二番目に位置する（レーザヘッド２２からの距離が中間となる）樹脂プレート３０Ｂにつき、ドット点Ｐ（１−１），Ｐ（１−２），Ｐ（１−３），Ｐ（１−４）・・・につきレーザ照射位置情報を測定する。これにより、例えば、Ｐ（１−１）＝（ｘ１１，ｙ１１，ｈ）、Ｐ（１−２）＝（ｘ１２，ｙ１２，ｈ）、Ｐ（１−３）＝（ｘ１３，ｙ１３，ｈ）、Ｐ（１−４）＝（ｘ１４，ｙ１４，ｈ）・・・の情報が得られる。

同様に、図１６（ｃ）に示すように、一番上に位置する（レーザヘッド２２からの距離が一番近い）樹脂プレート３０Ｃにつき、ドット点Ｐ（２−１），Ｐ（２−２），Ｐ（２−３），Ｐ（２−４）・・・につきレーザ照射位置情報を測定する。これにより、例えば、Ｐ（２−１）＝（ｘ２１，ｙ２１，２ｈ）、Ｐ（２−２）＝（ｘ２２，ｙ２２，２ｈ）、Ｐ（２−３）＝（ｘ２３，ｙ２３，２ｈ）、Ｐ（２−４）＝（ｘ２４，ｙ２４，２ｈ）・・・の情報が得られる。

そして、図３（１０）に示す第１０の工程では、レーザ焦点のズレ量を算出する。すなわち、上記測定結果から、レーザ焦点のズレ量（原点補正量（Ｘ方向，Ｙ方向）、回転角度及びＺ方向ズレ）を算出する。この場合、図１７にグラフに示すように、Ｚ方向のズレ量を直線近似することにより、Ｚ方向の補正量を推測することができる。これにより、後述するように、レーザの焦点補正を正確に行うことができる。

そして、図３（１１）に示す第１１の工程では、必要に応じて、レーザヘッド２２の位置修正を行う。すなわち、レーザ焦点のズレ量が大きい場合は、レーザヘッド２２の位置を後述する位置調整機構４１（図１９等参照）により修正する。ズレ量が小さい場合は、レーザプログラムのソフト上で修正する。

ここで、レーザヘッド２２の位置調整機構４１について説明する。図１８に、レーザ溶接装置１を平面図により示す。図１９に、レーザ溶接装置１の一部を背面図により示す。図１８，１９に示すように、レーザ溶接装置１は、その背板２４に、レーザヘッド２２のための位置調整機構４１を備える。位置調整機構４１は、レーザヘッド２２を取り付けるための取付プレート４２と、その取付プレート４２を上下方向へ案内するための左右一対のリニアガイド４３と、取付プレート４２を背板２４に固定するための左右一対の固定ブロック４４及び下側一対の固定ブロック４５とを備える。両リニアガイド４３は、背板２４に固定される。各固定ブロック４４，４５は、ボルト４６により背板２４に固定される。ここで、図２０に示すように、下側の固定ブロック４５には、シム４７が着脱可能に設けられる。従って、各固定ブロック４４，４５のボルト４６を緩め、シム４７の量を適宜増減することにより、取付プレート４２をリニアガイド４３に沿って微少に上下動可能となっている。これにより、レーザヘッド２２の上下位置を微調整するようになっている。

上記したように、この実施形態におけるレーザ照射位置情報取得方法は、定位置に固定したレーザヘッド２２からレーザを発射して樹脂プレート３０の同一表面に複数点照射することにより、ＸＹ方向におけるレーザ照射位置情報を得ることと、樹脂プレート３０の高さを２回変えてレーザヘッド２２からレーザを発射して樹脂プレート３０の同一表面に複数点照射することにより、ＸＹ方向におけるレーザ照射位置情報を得ると共に、高さの異なるＺ方向におけるレーザ照射位置情報を得るようにしている。従って、レーザヘッド２２を移動させる移動機構を設けることなく、樹脂プレート３０とレーザヘッド２２との間の距離、すなわちレーザの焦点距離に係るレーザ照射位置情報が得られる。このため、レーザヘッド２２を移動させることなくＸＹ方向とＺ方向の正確なレーザ照射位置情報を取得することができる。

また、この実施形態におけるレーザの焦点合わせ方法は、上記レーザ照射位置情報取得方法により得られたＺ方向におけるレーザ照射位置情報に基づき、レーザヘッド２２のＺ方向における位置を微調整することにより、レーザの焦点合わせをするようにしている。従って、Ｚ方向の焦点ズレがある場合には、そのズレが補正される。このため、レーザの焦点を容易にかつ高精度に合わせることができる。

上記したように、この実施形態では、樹脂プレート３０をセットする治具２９に対し、所定の高さを有する第１及び第２の嵩上げブロック３４，３５を使用することにより、樹脂プレート３０の高さ方向（Ｚ方向）の位置を３段階に変えるようにしている。これにより、樹脂プレート３０とレーザヘッド２２との間の距離、すなわちレーザの焦点距離を３段階に変えるようにしている。

ここで、従来は、樹脂プレートとレーザヘッドとの間の距離（レーザ焦点距離）を変えるために、一般には、レーザヘッドを移動機構により上下移動させていた。このため、移動機構を備えることで、レーザヘッドの取付部の剛性が著しく低下する懸念があった。この剛性の低下は、加工時の振動発生やレーザヘッドの故障などに影響するおそれがあった。このため、高精密機械であるレーザヘッドを移動機構により上下動させてレーザ焦点距離を可変にすることは望ましくない。これに対し、本実施形態では、樹脂プレート３０とレーザヘッド２２との間の距離（レーザ焦点距離）を変えるために、レーザヘッド２２を上下移動させる移動機構を設ける必要がなく、レーザヘッド２２を固定化することができる。

この実施形態では、樹脂プレート３０の高さを変えることにより、すなわちレーザヘッド２２と樹脂プレート３０との間の距離（レーザ焦点距離）を変えることにより、位置及びレーザ焦点距離のズレ量を正確に測定できる治具２９及び嵩上げブロック３４，３５を用いたレーザの焦点合わせ方法を提案している。

ここで、特許文献１に記載の従来技術では、走査される光軸は、スキャナヘッドのレンズの特質上、レーザヘッドから発射されるレーザは、ワーク照射面に対して真直角でなく斜めからの光路となる。特許文献１に記載の従来技術において、ワーク面の上に照射位置補正ユニットを載せて使用し、「Ｚ１＝Ｈ」としている。しかし、実際の光は、ユニット分のセンサの受光面でセンシングするため、センサ取付高さのバラツキにより斜めからの光路による位置誤差を含む測定となり、正確性に劣る。すなわち、図２１と図２２を比較して示すように、レーザヘッド８１から発射されるレーザにつき、同じ光路Ｌａでセンサ８２の高さｈ１，ｈ２が異なる場合、ワーク照射上面Ｆ１における光路Ｌａの光軸Ｌｂからの距離ｂ１，ｂ２は同じでも、センサ受光面Ｆ２上の光路Ｌａの光軸Ｌｂからの距離ａ１，ａ２は異なる。すなわち、距離ａ１，ａ２の測定が誤差を含むこととなる。つまり、従来技術では、図２３に示すように、レーザヘッド８１から発射されるレーザは、ワーク照射上面Ｆ１より上のセンサ受光面Ｆ２にて光路Ｌａの位置が測定される。ここで、上記と同様に、９箇所のドット打ちを行うことにより、センサ受光面Ｆ２上にて、図２４に示すようなドット点Ｐを得ることができる。これに対し、この実施形態では、ワーク照射上面Ｆ１を樹脂プレート３０の上面に一致させているので、測定バラツキは少なく、光路Ｌａによる影響を最小にすることが可能である。

また、特許文献１に記載の従来技術では、レーザヘッドの高さを変えて測定する記載はない。このため、Ｚ方向の焦点位置のズレ量の算出は難しいと考えられる。取得できるデータとして、高さ方向のデータの情報量は少なく、高さ成分（Ｚ方向成分）の誤差予測が不可能である。これに対し、本実施形態では、２つの嵩上げブロック３４，３５を使用して樹脂プレート３０の高さを３段階に変えることにより、Ｚ方向の情報を得ることができる。メリットとして、樹脂プレート３０の高さを３段階に変えることにより、Ｚ方向の焦点レンズがある場合には、図１７に示すように、Ｚ方向の補正量の推測をすることができ、補正を正確にすることができる。このため、レーザヘッド２２を移動させることなくＸＹ方向とＺ方向の正確なレーザ照射位置情報を取得することができる。

また、上記した補正量に基づきレーザヘッド２２のＺ方向における位置を微調整することにより、レーザの焦点合わせをするようにしている。この焦点合わせ方法は、レザーを走査するミラー（一般にガルバノミラーと称する。）を備えたレーザヘッド２２において、レーザの焦点合わせを行うことは、溶接品質を条件出しし、かつ維持する上で重要な要素である。この実施形態では、ニッケル水素（ＮｉＭＨ）電池で採用した事例をもとに、従来方法に比べて精度良くＸＹＺ座標のズレ量を算出することができるレーザの焦点合わせ方法を提案している。

この方法の特徴の一つとして、焦点合わせの精度アップを狙いに樹脂プレート３０の位置決め基準と、ドット点Ｐの測定基準とを共通化するようにしている。これにより、高精度の溶接位置（±０.１レベル）を必要とする部品の溶接品質の確保に貢献できる。

この方法の二つ目の特徴として、レーザヘッド２２を機枠２１に固定したまま、レーザ照射対象である樹脂プレート３０の高さを３段階に変える治具２９及び嵩上げブロック３４，３５を用いることにより、レーザの照射距離を容易に変える方法を提案している。これにより、高精密機械であるレーザヘッド２２を固定化することができ、レーザヘッド２２の移動機構を省略することができ、レーザ溶接装置１の簡易化を図ることができ、装置１の故障も軽減することができる。

＜第２実施形態＞
次に、レーザ溶接装置のレーザ出力管理方法について具体化した第２実施形態につき図面を参照して詳細に説明する。

この実施形態のレーザ溶接装置も、第１実施形態と同様、図２に示す電池セル２をレーザ溶接するようになっている。ここで、溶接品質の管理項目として、レーザの出力、径及び走査位置等がある。これらの項目が条件を満たしていないと、溶接の未着不良につながる。この実施形態では、最も重要な加工ポイントでのレーザ出力を管理する方法を提案している。

図２５に、レーザ溶接装置１を斜視図により示す。図２６，２７に、レーザ溶接装置１を正面図により示す。このレーザ溶接装置１は、レーザヘッド２２からのレーザ出力を計測するためのパワーメータ３６を備える。パワーメータ３６は、レーザヘッド２２より下側にて、機枠２１の側板２６に対して設けられる。パワーメータ３６は、側板２６に対し、ガイドバー３７により移動可能に支持される。また、側板２６には、パワーメータ３６を移動させるためのリニアアクチュエータ３８が設けられる。そして、リニアアクチュエータ３８を駆動させることにより、パワーメータ３６を、図２５，２６に示す退避位置から、図２８に示すように、レーザヘッド２２の真下である測定位置まで移動させることができるようになっている。

この実施形態では、図２５に示すように、パワーメータ３６を制御するために、アンプ５１、データ収集用パソコン５２及び制御盤５３を備える。パワーメータ３６は、アンプ５１に接続され、アンプ５１はパソコン５２に接続され、パソコン５２は制御盤５３に接続される。

この実施形態では、レーザ溶接装置１につき、予め設定したサイクル回数Ｓに達すると、自動的にパワーメータ３６を用いて定期的に出力を測定し、その結果をパソコン５２に保管するようになっている。そして、出力変化量から、レーザヘッド２２のレンズの汚れを監視し、サイクル回数Ｓを変えることにより、最適な運用で溶接不良が発するする前に生産を止めるようになっている。

この実施形態で、パワーメータ３６の基本の動作サイクル（例えば「２５０回」）は、下記のようになる。すなわち、「(1)溶接２５０回」→「(2)パワーメータ前進」→「(3)レーザ出力測定」→「(4)パワーメータ後退」→「(1)溶接２５０回」→・・・。図２７に示すように、パワーメータ３６を測定位置まで前進させることにより、レーザヘッド２２の真下にパワーメータ３６を移動させることができる。また、図２５，２６に示すように、パワーメータ３６を後退させることにより、レーザヘッド２２の真下からレーザの光路を避ける位置までパワーメータ３６を移動させることができる。

図２８，２９に、パソコン５２のＣＰＵが実行する制御プログラムの内容をフローチャートにより示す。

先ず、図２８のフローチャートに従って説明する。ステップ２０１で、電源が投入されると、ステップ２０２で、ＣＰＵはシステムチェックを行う。すなわち、設備の関係、レーザヘッド２２の関係及びパソコン５２につきそれぞれチェックを行う。そして、ステップ２０３で、ＣＰＵは、システムがＯＫか否かを判断する。この判断結果が否定である場合、ＣＰＵは、ステップ２０４で、システム異常処理を実行する。すなわち、システム異常に対処するための処理（システム停止、異常報知等）を実行する。一方、この判断結果が肯定である場合、ＣＰＵは、処理をステップ２０５へ移行する。

そして、ステップ２０５で、ＣＰＵは、レーザ溶接装置１の運転準備（動作の初期化等）を行う。その後、ステップ２０６で、ＣＰＵは、レーザ溶接装置１の運転を開始する。

その後、ステップ２０７で、ＣＰＵは、「レーザ切りモード」又は「手動モード」が１時間以上経過したか否かを判断する。ここで、「レーザ切りモード」は、レーザが所定時間切られることを意味し、「手動モード」は、レーザが手動で操作されることを意味する。この判断結果が肯定となる場合、ＣＰＵは、ステップ２０８で、レーザ出力を測定するために、パワーメータ測定サイクルを実行する。この処理内容の詳細については、後述する。また、ステップ２０９で、ＣＰＵは、これまでカウントしていた溶接回数Ｎをリセットし、処理をステップ２１０へ移行する。一方、ステップ２０７の判断結果が否定となる場合、ＣＰＵは、そのままステップ２１０へ移行する。

ステップ２０９又はステップ２０７から移行してステップ２１０で、ＣＰＵは、溶接回数Ｎを加算し、ステップ２１１で、その溶接回数Ｎが所定のサイクル回数Ｓと等しいか否かを判断する。この判断結果が肯定となる場合、ＣＰＵは、ステップ２０８の処理へ戻る。一方、この判断結果が否定となる場合、ＣＰＵは、処理をステップ２１２へ移行する。

そして、ＣＰＵは、ステップ２１２で、レーザ溶接装置１にワークをセットし、ステップ２１３で、レーザ溶接を実行し、ステップ２１４で、ワークを排出する。ワークのセット及び排出は、所定のロボットをＣＰＵが制御することにより行われる。

ここで、図２８のステップ２０８の処理内容を、図２９のフローチャートを参照して詳しく説明する。

先ず、ステップ２０８−１で、ＣＰＵは、パワーメータを前進させる。すなわち、図２７に示すように、リニアアクチュエータ３８を動作させることにより、パワーメータ３６をレーザヘッド２２の真下の測定位置へ移動させる。

ステップ２０８−２で、ＣＰＵは、パワーメータ３６による測定準備の確認を行う。すなわち、レーザヘッド２２が正常に動作可能か否か、パワーメータ３６がレーザの測定に対応できる状態にあるか否かなどを確認する。

ステップ２０８−３で、ＣＰＵは、図３０に正面図により示すように、レーザヘッド２２を動作させてレーザＬＡをワークＷへ向けて照射する。

ステップ２０８−４で、ＣＰＵは、パワーメータ３６を後退させる。すなわち、図２６に示すように、リニアアクチュエータ３８を動作させることにより、パワーメータ３６をレーザヘッド２２の真下から退避位置へ退避させる。

ステップ２０８−５で、ＣＰＵは、パワーメータ３６による今回の測定結果Ｍ及び時間ｔのデータをパソコン５２のメモリに記録する。

その後、ステップ２０８−６で、ＣＰＵは、測定結果Ｍが±３％以内か否かを判断する。この判断結果が否定となる場合、ＣＰＵは、処理をステップ２０８−１１へ移行する。一方、この判断結果が肯定となる場合、ＣＰＵは、処理をステップ２０８−７へ移行する。

ステップ２０８−７で、ＣＰＵは、今回の測定結果Ｍが前回の測定結果Ｍｏより小さいか否かを判断する。この判断結果が否定となる場合、ＣＰＵは、ステップ２０８−８で、前回のサイクル回数Ｓｏに「１０」を加算することで今回のサイクル回数Ｓとし、次のサイクルへ移行する。一方、ステップ２０８−７の判断結果が肯定となる場合、ＣＰＵは、処理をステップ２０８−９へ移行する。

ステップ２０８−９で、ＣＰＵは、前回の測定結果Ｍｏから今回の測定結果Ｍを減算した結果が、所定の設定値αの「１.５（％）」以上になるか否かを判断する。この判断結果が肯定となる場合、ＣＰＵは、ステップ２０８−１０で、前回のサイクル回数Ｓｏから「２５」を減算することで今回のサイクル回数Ｓとし、次のサイクルへ移行する。一方、ステップ２０８−９の判断結果が否定となる場合、ＣＰＵは、処理をステップ２０８−１１へ移行する。

ステップ２０８−６又はステップ２０８−９から移行してステップ２０８−１１で、ＣＰＵは、レーザ溶接装置１を停止し、清掃アラームを動作させる。すなわち、レーザの測定結果から、レーザヘッド２２に清掃の必要性があると判断した場合、ＣＰＵは、レーザ溶接装置１を停止させ、清掃の必要性を報知する処理を実行するのである。この報知を受けて、作業者がレーザヘッド２２をメンテナンスした後、清掃完了をＣＰＵに知らせると、ステップ２０８−１２で、ＣＰＵは、サイクル回数Ｓを「２５０」にリセットし、次のサイクルへ移行する。

一般に、レーザヘッドは、溶接時のヒューム付着等によりレンズ面が汚れ、出力低下を引き起こすため、出力を一定に保つためにレンズ面の定期的な清掃が必要となる。その清掃タイミングは、一定の溶接回数毎に行うことにより、管理するのも一案である。しかし、汚れる周期は一概に一定とはなりにくいので、早め早めの清掃となり、生産を止めることとなり、生産効率が悪くなる。

そこで、この実施形態では、レーザ出力を定期的にパワーメータ３６により測定し、その出力の変化傾向を観察するようにしている。これにより、前回の出力値に対する増減により溶接回数Ｎのサイクル回数Ｓを変化させることにより、清掃タイミングを最適化させることができる。更に、レーザの出力を測定した時間も記録するので、製品に品質不具合があったときに、有効なトレサビデータとしても活用することができる。

また、この実施形態では、レーザ溶接装置１を一定時間以上止めた状態からのコールドスタート時には、初回目はパワーメータ３６により出力を測定し、経路の暖機を行い、通常状態の出力値に戻す機能をもったレーザの管理システムを提案することができる。すなわち、図３１に、コールド状態（止まった状態）から一定時間間隔で、レーザ出力を測定した結果をグラフにより示す。このグラフから分かるように、初回のみレーザ出力は低く、その状態でワークを溶接した場合、未着による可能性がある。これに対し、２回目以降のレーザ出力は一定で、品質上は問題がない。このままでは、毎回、初回のワークを廃棄することとなり、不良率が高くなる。

そこで、この実施形態では、コールドスタート時にパワーメータ３６によりレーザ出力を測定することにより、出力測定と捨て打ちを同時に行うことができる。これにより、ワークへの照射を避けることができ、溶接不良の発生を抑えることができる。更に、パワーメータ３６を用いてレーザの捨て打ちを行うので、別途に捨て打ちを行う必要がなく、その分だけレーザ溶接装置１を簡略化することができる。また、パワーメータ３６自体は、メータ内を水冷することでレーザの高出力にも破損することがない。

また、この実施形態では、レーザを所定回数照射したタイミングでレーザの出力を測定し、その変化量から次回の測定までの照射回数を増減させている。それにより、保護ガラスの清掃タイミングを初期は長く、終期は短くすることができ、効率良く清掃することが可能となる。ここで、照射回数は固定値ではなく、出力測定値により可変としている。加えて、コールドスタート時、すなわち、一定時間レーザを使用しなかった場合に、出力値の確認と光路の暖機を目的に初回目に出力測定を行うこととしている。

特許文献１に記載の従来技術では、溶接距離を測定するレーザセンサの出力を一定に管理する方法を提示している。これに対し、本実施形態では、溶接用レーザの溶接出力を一定に管理する方法を提示しており、従来技術とは基本的に用途が異なる。また、特許文献１には、出力測定のタイミング（溶接回数）は初期の設定で決め、測定結果で回数を変えるという記載がない。ここで、図３２には、従来技術につき、溶接回数に対するレーザの出力（パワー）の測定値との関係をグラフにより示す。図３３には、本実施形態につき、溶接回数に対するレーザの出力（パワー）の測定値との関係をグラフにより示す。従来技術では、測定タイミングのための溶接回数を一定値である「２５０回」毎にレーザ出力を測定している。これに対し、本実施形態では、レーザ出力（パワー）の測定値に応じて測定タイミングのための溶接回数を変化させている。このため、図３２と図３３を比較して分かるように、従来技術では、レーザの測定回数が「１３回」となるのに対し、本実施形態では、測定回数を「１１回」に減らせることが分かる。

なお、この発明は前記各実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱することのない範囲で構成の一部を適宜に変更して実施することもできる。

例えば、前記第１実施形態では、２つの嵩上げブロック３４，３５を使用して測定を行ったが、１つ又は３つの嵩上げブロックを使用して測定を行ってもよい。

この発明は、レーザ溶接装置に適用することができる。

１ レーザ溶接装置
２２ レーザヘッド
２９ 治具
３０ 樹脂プレート
３０Ａ 樹脂プレート
３０Ｂ 樹脂プレート
３０Ｃ 樹脂プレート
３４ 第１嵩上げブロック
３５ 第２嵩上げブロック
４１ 位置調整機構

Claims (2)

1. 定位置に固定したレーザヘッドからレーザを発射して樹脂プレートの同一表面に複数点照射することにより、ＸＹ方向におけるレーザ照射位置情報を得ることと、
   第１高さを有する第１嵩上げブロックと、第２高さを有する第２嵩上げブロックとを有し、前記樹脂プレートを配置する治具に対し、前記第１嵩上げブロック及び前記第２嵩上げブロックを使用し、前記樹脂プレートの高さを３段階に変えて、各段階において、前記レーザヘッドから前記レーザを発射して前記樹脂プレートの同一表面に複数点照射することにより、ＸＹ方向におけるレーザ照射位置情報を得ると共に、高さの異なるＺ方向におけるレーザ照射位置情報を得ることと
   を備えたことを特徴とするレーザ照射位置情報取得方法。
2. 請求項１に記載のレーザ照射位置情報取得方法により得られたＺ方向におけるレーザ照射位置情報に基づき、前記レーザヘッドの前記Ｚ方向における位置を微調整することにより、レーザの焦点合わせをすることを特徴とするレーザの焦点合わせ方法。

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