JPWO2018169048A1 - 溶接用センサ装置 - Google Patents

Abstract

溶接の際に、溶接装置とワークとの間に気体が流れると、溶接に与える影響が大きい。センサ装置１は、センサユニット２と、収容ケース（収容部）３および遮蔽部材（遮蔽部）５を有した収容体３Ａを備えている。遮蔽部材５は、収容ケース３に取付けられ、ワークＷの溶接時に発生する輻射熱のうち、収容ケース３の下側の収容ケース３の表面に向かう輻射熱を遮蔽する。遮蔽部材５は、第２ガス流路４７の検出用放出口４８ｂから放出された気体が、遮蔽部材５に吹き付けられて、ワークＷが溶接される側とは反対側に流れるように、検出用放出口４８ｂを通過する気体の流れ方向に対して傾斜している。

Description

本発明は、ワークの溶接を行うに好適な溶接用センサ装置に関する。

従来から、開先形状を有した一対の鉄板などのワークに対して、アーク溶接などにより突合せ溶接などの溶接を行う際には、溶接トーチをワーク（突き合わせた開先形状の部分）に近づける。この状態で、溶接トーチから送られる溶接用ワイヤの先端と、ワークとの間に電圧を印加することにより、これらの間にアークを発生させる。これにより、溶接用ワイヤが溶融するとともに、ワークが加熱されて溶融し、ワーク同士の溶接を行うことができる。

溶接を行う際には、溶接トーチとワークとの距離または、ワークの形状は、ワークの溶接の品質に影響する。このような点から、例えば、特許文献１には、ワークとの形状またはワークまでの距離を測定する溶接用センサ装置が提案されている。

特許文献１に示す溶接用センサ装置は、レーザ光を投光する投光部と、ワークの表面から反射したレーザ光を検出する検出部と、を備え、検出されたレーザ光から、ワークの形状を測定している。投光部と検出部とは、ハウジング（ケース本体）と保護カバーとで構成された収容ケースに収容されている。保護カバーには、溶接時に発生するワークからのスパッタを遮蔽する遮蔽板が形成されている。さらに、保護カバーには、投光部の光軸に沿った方向に、気体が流れるようにスリットが形成されており、スリットの端部に位置する放出口から、気体が放出される。

特開２００４−１９５５０２号公報

特許文献１のセンサ装置によれば、スリットから気体が放出されることにより、溶接時に発生するヒュームが収容ケース内に入ることを防止することができるが、スリットから放出される気体は、ワークが溶接される側に向かって流れ、溶接部にこの気体が混在することが考えられる。

さらに、たとえば、アーク溶接を行う際には、溶接中に溶融金属と酸素等の活性ガスが反応を起こさないように、アーク周辺を覆うように溶接トーチ先端から不活性ガス（いわゆる、シールドガス）を流すことがある。しかしながら、仮に、このようなシールドガスを流したとしても、上述した気体によりシールドガスの流れが乱れ、空気中の活性ガス等が溶接部に混入することが考えられる。

本発明は、このような点を鑑みてなされたものであり、センサ装置から放出される気体により、溶接に与える影響を低減することができる溶接用センサ装置を提供することにある。

発明者らは、鋭意検討を重ねた結果、溶接時に発生する輻射熱を遮蔽する遮蔽部を利用すれば、ワーク側に向かって放出口から放出される気体の流れを変えつつ、遮蔽部に入熱された輻射熱を気体で冷却することができるとの新たな知見を得た。

本発明は、発明者らの新たな知見によるものであり、本発明に係る溶接用センサ装置は、溶接されるワークの状態または前記ワークまでの距離を測定するセンサユニットと、前記センサユニットを収容するとともに、内部に気体が流れるガス流路が形成された収容部と、前記ワークの溶接時に発生する輻射熱のうち、前記収容部に向かう輻射熱を遮蔽する遮蔽部と、を有した収容体と、を少なくとも備えた、溶接用センサ装置であって、前記遮蔽部は、前記ガス流路の放出口から放出された気体が、前記遮蔽部に吹き付けられて、前記ワークが溶接される側とは反対側に流れるように、前記放出口を通過する前記気体の流れ方向に対して傾斜していることを特徴とする。

本発明によれば、遮蔽部により、放出口から放出された気体が、遮蔽部に吹き付けられるので、遮蔽部を気体で冷却することができる。さらに、遮蔽部に吹き付けられた気体は、ワークが溶接される側とは反対側に流れるので、ワークが溶接される側に気体が流れ難くなる。これにより、ワークの溶接される箇所では、放出口から放出される気体（の流れ）の影響を低減し、安定した溶接を行うことができる。

ここで、放出口から気体が放出されるのであれば、ガス流路は、例えば、収容ケース内を冷却するように形成されていてもよく、特にその形態は限定されるものではない。しかしながら、より好ましい態様としては、前記センサユニットは、溶接されるワークの表面からの光を検出光として検出する検出部を少なくとも備え、前記収容体は、前記収容部として、前記センサユニットを収容するとともに、前記検出部へ向かう検出光が通過する少なくとも１つの通過部が形成されたケース本体と、前記検出光を透過する保護プレートを有し、前記通過部を前記保護プレートで覆うように、前記ケース本体に取付けられた保護カバーと、を備えており、前記ガス流路は、前記保護プレートよりも前記放出口側において、対向した位置から気体が前記保護プレートに向かって吹き付けられ、前記保護プレートに吹き付けられた気体が前記放出口に向かうように形成されている。

この態様によれば、保護プレートよりも放出口側において、対向した位置から保護プレートに気体を吹き付けることにより、保護プレートに異物等が付着するとともに、保護プレートに向かうヒュームを低減することができる。さらに、対向した位置から保護プレートに吹き付けられる気体同士は、保護プレートの表面に衝突しつつ相互に衝突し、その流れは失速し、合流した気体を放出口から放出することができる。このようにして、気体の流速を失速させるので、ワークが溶接される側に気体がより流れ難くなる。

ここで、より好ましい態様としては、前記センサユニットは、溶接されるワークの表面にレーザ光を投光する投光部と、前記検出部として前記ワークの表面から反射したレーザ光を検出する検出部と、を少なくとも備え、検出された前記レーザ光から、前記ワークの形状または前記ワークまでの距離を測定するセンサユニットであり、前記ケース本体には、前記通過部として、前記投光部からのレーザ光が通過する投光用通過部と、前記検出部へのレーザ光が通過する検出用通過部と、が形成されており、前記保護プレートは、前記投光用通過部を覆う投光用保護部と、前記検出用通過部を被う検出用保護部と、を備えており、前記保護プレートには、前記放出口として、前記投光用保護部に吹き付けられた気体が放出される投光用放出口と、前記検出用保護部に吹き付けられた気体が放出される検出用放出口と、が形成されており、前記検出用放出口の気体が流れる流路断面は、前記投光用放出口の気体が流れる流路断面よりも大きく、前記検出用放出口は、前記投光用放出口よりも、前記遮蔽部側に形成されている。

この態様によれば、検出用放出口の気体が流れる流路断面は、投光用放出口の気体が流れる流路断面よりも大きいため、検出用放出口から流れる気体の流量は、投光用放出口から流れる気体の流量よりも多い。気体が流れる流量が多い検出用放出口は、投光用放出口よりも、遮蔽部側に形成されているので、検出用放出口から放出されたより多くの気体を遮蔽部に吹き付けることができる。この吹き付けられた気体により、投光用放出口から流れる気体を、ワークが溶接される側とは反対側に押し流すことができる。これにより、投光用放出口および検出用放出口の双方から放出される気体を、最終的にはワークが溶接される側とは反対側に流すことができる。

上述したように、遮蔽部によりワークが溶接される側とは反対側に気体を流すことができるのであれば、収容体には収容部と遮蔽部のみであってもよい。しかしながら、より好ましい態様としては、前記収容体は、前記遮蔽部と共働して前記保護カバーの周りを囲うように、前記ワーク側に延在したガイド部を備える。

上述したように、対向した位置から保護プレートに吹き付けられた気体は、相互に衝突する。このため、放出口（投光用放出口および検出用放出口）からの気体は、保護カバーの周りに拡散しやすい。このような場合であっても、この態様によれば、ガイド部と遮蔽部とにより、放出口近傍の気体が保護カバーの周りに拡散することを抑え、ワーク側に気体を案内することができる。

ガイド部により、ワーク側に気体を案内することができるのであれば、ガイド部は保護カバーに隙間無く接触していてもよい。しかしながら、より好ましい態様としては、前記保護カバーは、前記遮蔽部に対向した位置に形成された前側面と、前記前側面の反対側に形成された背側面と、前記前側面と前記背側面とに連続した一対の横側面とが形成されており、前記ガイド部は、前記一対の横側面と前記背側面とを囲うように形成されており、前記ガイド部と前記各横側面との間には、間隙が形成されている。

この態様によれば、ガイド部と保護カバーの各横側面との間に形成された間隙により、ガイド部から保護カバーに向かう、溶接時に発生する輻射熱の伝達を遮断することができる。さらに、放出口から放出した気体の流れにより、ガイド部と保護カバーの各横側面との間に形成された間隙から、クリーンなエア（大気）をガイド部内の空間に吸い込むことができる。この吸い込んだエアの流れにより、保護カバーの横側面よりも外側の方向に、放出口から放出した気体が流れることを抑えることができる。

より好ましい態様としては、前記ガイド部は、取付け具を介して、前記背側面に取付けられている。これにより、取付け具は、ワークが溶接される側とは反対側に位置するので、ワークの溶接時に発生する輻射熱に直接晒されることはない。このような結果、ガイド部が輻射熱により加熱されたとしても、この熱により保護カバーを介して、ケース本体に収容されたセンサユニットが加熱されることを低減することができる。

ガイド部の形状は、上述するように、放出口から放出された気体を案内することができるのであれば、特に限定されるものではないが、より好ましい態様としては、前記ガイド部は、前記各横側面に対向する位置に形成された横板部と、前記横板部に連続し、前記背側面に対向する位置に形成された背板部と、を備えており、前記横板部のワーク側の縁部は、前記遮蔽部側から前記背板部に進むに従って、前記保護カバーに近づくように傾斜している。

この態様によれば、ガイド部の横板部のワーク側の縁部は、遮蔽部材側からガイド部の背板部に進むに従って、保護カバーに近づくように傾斜しているので、気体が、ワークの溶接される側とは反対側に流れ易くなる。

本発明によれば、収容ケースの放出口から放出された気体が、遮蔽部に吹き付けられて、ワークが溶接される側とは反対側に流れるため、収容ケースの放出口から放出される気体が、溶接に与える影響を低減することができる。

本発明の実施形態に係る溶接装置に取付けられた状態の溶接用センサ装置の模式的側面図である。 図１に示す溶接用センサ装置を一方側から視た模式的斜視図である。 図１に示す溶接用センサ装置を他方側から視た模式的斜視図である。 図１に示す溶接用センサ装置の模式的側面図である。 図３に示す溶接用センサ装置の模式的分解斜視図であり、ケース本体のカバーを取り除いた状態の模式的斜視図である。 図５に示す溶接用センサ装置のケース本体を底面側から視た模式的斜視図である。 図４に示す保護カバーの分解斜視図である。 図７のＡ−Ａ線に沿った矢視における模式的断面図である。 図７のＢ−Ｂ線に沿った矢視における模式的断面図である。 図１に示す溶接用センサ装置の遮蔽部材の分解斜視図である。 図９に示す遮蔽部材を取り除いた状態の溶接用センサ装置の底面図である。 図４に示す溶接用センサ装置の気体の流れを説明するための模式的側面図である。

以下に、本発明の実施形態に係る溶接用センサ装置（以下、センサ装置という）を図１〜図１１を参照しながら詳述する。

１．センサ装置１の取付け状態とセンサ装置１の全体構成について
図１に示すように、本実施形態に係るセンサ装置１は、取付け用治具８を介して、溶接装置９に取付けられている。溶接装置９の溶接トーチ９１には、溶接用ワイヤ９３が供給され、溶接の際には、溶接トーチ９１から送られる溶接用ワイヤ９３の先端と、ワークＷとの間に電圧を印加することにより、これらの間にアークＡを発生させる。これにより、溶接用ワイヤ９３およびワークＷを溶融するとともに、ワークＷに溶融池Ｐが生成され、ワークＷの溶接を行うことができる。ワークＷに溶融池Ｐを形成しつつ、図１に示す矢印の方向に溶接装置９が移動し、ワークＷ同士に溶接部（ビード）Ｂを形成する。なお、図１では、便宜的にワークＷを１つのワークとして描いているが、２つ以上のワーク同士に対して突合せ溶接、すみ肉溶接、重ね溶接等するものであり、溶接方法は、特に限定されるものではない。また、本実施形態では、ワーク同士の溶接を溶接用ワイヤを用いたアーク溶接に特定しているが、この他にも、たとえば、ＴＩＧ溶接、電子ビーム溶接、レーザビーム溶接、ガス溶接等の他の溶接であってもよい。

溶接装置９により、ワークＷに対して安定した溶接を行うためには、溶接トーチ９１とワークＷとの距離または、ワークＷの形状を、測定することは重要である。そこで、本実施形態では、その一例としてセンサ装置１で、ワークＷとの形状またはワークＷまでの距離を測定する。

図１に示すように、本実施形態に係るセンサ装置（センサヘッド）１は、センサユニット２と、センサユニット２を収容する収容体３Ａとを備えている。本実施形態では、収容体３Ａは、保護カバー４０が取付けられた収容ケース（収容部）３と、収容ケース３に取付けられた遮蔽部材（遮蔽部）５およびガイド部材（ガイド部）６、を備えている。本実施形態では、収容ケース３と、遮蔽部材５と、ガイド部材６とは、分離可能な部材であるが、これらが一体化した構造であってもよい。また、必要に応じて、収容体３Ａを構成するガイド部材６を省略してもよい。

２．センサユニット２について
センサユニット２は、検出されたレーザ光（検出光）Ｌ２により、ワークＷの形状または（センサユニット２から）ワークＷまでの距離を測定するための装置である。本実施形態では、センサユニット２は、その一例として、溶接されるワークＷの表面にレーザ光Ｌ１を投光する投光部２１と、ワークの表面から反射したレーザ光Ｌ２を検出する検出部２２と、を備えている。投光部２１は、レーザ光を発生させるレーザ光源２１ｂと、レーザ光源２１ｂから発生したレーザ光Ｌ１を、ワークＷに投光（投射）する投光装置（光学系）２１ａと、を備えている。

検出部２２は、投光装置２１ａから投光されたレーザ光Ｌ１が、ワークＷの表面から反射したレーザ光Ｌ２を受光する受光装置（光学系）２２ａと、受光装置２２ａから送られたレーザ光Ｌ２を検出する検出装置２２ｂと、を備えている。受光装置２２ａは、検出装置２２ｂに受光したレーザ光Ｌ２を送り、検出装置２２ｂは、例えば撮像装置（カメラ）であり、レーザ光Ｌ２を検出し、検出したレーザ光Ｌ２のデータを、センサ装置外部またはセンサ装置内部の画像処理装置（図示せず）に送信する。画像処理装置では、ワークＷの形状（状態）またはセンサユニット２（具体的にはレーザ光源２１ｂ）からワークＷまでの距離が測定され、例えば、測定された距離から、溶接トーチ９１とワークＷとの距離が換算される。

なお、本実施形態では、センサユニットの一例として、投光部２１を検出部２２とを備えたセンサユニット２を示したが、例えば、投光部を別ユニットとして、これを溶接用センサ装置１の外部に設け、センサユニット２の投光部２１を省略してもよい。この場合には、溶接用センサ装置１は、投光部２１を有しないので、後述する投光用の各部位（例えば、後述するケース本体３０の投光用通過部３６ａ、保護プレート４４の投光用保護部４４ａなど）を省略することができる。

また、本実施形態では、センサユニット２は、レーザ光Ｌ１、Ｌ２を利用して、ワークＷの状態（形状）または検出部２２からワークＷまでの距離を測定したが、例えば、レーザ光を利用せず、溶接時にワークＷの例えば溶融池Ｐから発生した光、または、外部の光源等からワークＷに反射した光を検出光として検出してもよい。この場合も、本実施形態で示した、センサユニット２の投光部２１が省略され、検出部は、ワークＷの表面に向かう検出光を受光する受光装置（光学系）と、受光装置から送られた検出光を検出する撮像装置（カメラ）とを少なくとも備えればよい。溶接用センサ装置１は、投光部２１を有しないので、後述する投光用の各部位を省略することができる。検出した検出光のデータは、センサ装置外部またはセンサ装置内部の画像処理装置（図示せず）に送信され、ワークＷの状態（例えば溶融池Ｐの溶融状態等）を測定することができる。この測定したワークＷの状態から、溶接時の溶接トーチ９１から送られる溶接用ワイヤ９３の先端と、ワークＷとの間に印加される電圧を制御してもよい。その他にも、センサユニットが、超音波または電磁波を利用して、溶接されるワークＷの状態またはワークＷまでの距離を測定してもよい。

３．収容ケース３について
収容ケース３は、センサユニット２を収容するとともに、投光部２１から発するレーザ光Ｌ１および検出部２２へ向かうレーザ光Ｌ２が通過する通過部（具体的には図５の投光用通過部３６ａおよび検出用通過部３６ｂ参照）が形成されている。通過部は、レーザ光Ｌ１およびＬ２を透過させることができれば、例えば、開口した状態のものであってもよく、開口部に、レーザ光Ｌ１およびＬ２が透過可能な材料（例えば、透明な樹脂またはガラスなど）が覆われていてもよい。本実施形態では、収容ケース３は、ケース本体３０と、保護カバー４０と、を備えている。

３−１．ケース本体３０について
本実施形態では、ケース本体３０は、センサユニット２を収容するための組立体である。図２、図３に示すように、ケース本体３０は、センサユニット２を収容する凹部（図示せず）を有した筐体３１の両側に、カバー３２ａ、３２ｂがネジなどの締結具７１を介して被着されている。一方側のカバー３２ａは、上述したセンサユニット２が収容された凹部を覆うものである。図４、図５に示すように、他方側のカバー３２ｂは、シール材３２ｃを介して、筐体３１を覆うことによりケース本体３０にサーペンタイン形状の第１ガス流路３５を形成する。

ここで、第１ガス流路３５に供給される気体としては、エア（大気）、ヘリウムガス、アルゴンガス、窒素ガス、二酸化炭素ガス、および、これらの気体を混合した気体等を挙げることができ、溶接時に溶接用センサ装置１を冷却することができ、ワークＷの溶接部に対し化学的に安定した気体であることがより好ましく、たとえば、溶接用のシールドガスの供給源（図示せず）からの気体を利用してもよい。

本実施形態では、第１ガス流路３５は、後述するガス供給口３７ｃから、ケース本体３０の前面３０ａ側の内部（前面３０ａを形成する壁部内）に形成された第１冷却流路３５ａを備えている。第１ガス流路３５は、第１冷却流路３５ａの途中から、分流口３５ｂにおいて分流し、筐体３１の側面３５ｇに形成された溝部３５ｅをカバー３２ｄで覆うことにより形成された第２冷却流路３５ｄをさらに備えている。なお、第１冷却流路３５ａは、ケース本体３０の連通口３５ｃにおいて、第２ガス流路４７に連通している。さらに、第２冷却流路３５ｄは、ケース本体３０の背面３０ｂを形成する壁部内に形成された第３冷却流路３５ｆに連通し、第３冷却流路は、ガス排出口３７ｅに連通している。第１ガス流路３５に、気体を供給することにより、ケース本体３０内のセンサユニット２を冷却し、溶接時のセンサユニット２の昇温を低減することができる。

ケース本体３０の上面には、センサユニット２からの検出信号の出力等を行うための接続端子３７ａ、センサユニット２への電力の供給、センサユニット２への制御信号の入力等を行うための接続端子３７ｂが、設けられている。さらに、ケース本体３０の上面には、第１ガス流路３５およびに保護カバー４０に気体を供給するガス供給口３７ｃと、第１ガス流路３５から気体を排出するガス排出口３７ｅと、が設けられている。この他にも、センサユニット２の電源のＯＮ、ＯＦＦ等の状態を表示するランプ３７ｄが設けられている。

図６に示すように、ケース本体３０には、センサユニット２を収容した状態で、通過部として、投光部２１からのレーザ光Ｌ１が通過する投光用通過部３６ａと、検出部２２へのレーザ光Ｌ２が通過する検出用通過部３６ｂと、が形成されている。なお、ケース本体３０には、後述するカートリッジ４１の有無を確認するためのセンサ（図示せず）の検出用の窓３６ｃが形成されている。本実施形態では、ケース本体３０に、投光用通過部３６ａと検出用通過部３６ｂとが個別に形成されているが、センサユニット２による検出精度を確保することができるのであれば、投光用通過部３６ａと検出用通過部３６ｂとが連続して形成されていてもよい。本実施形態では、投光用通過部３６ａと検出用通過部３６ｂは、円形状の開口部に、レーザ光Ｌ１、Ｌ２を透過する円板状プレートが配置された部分である。

３−２．保護カバー４０について
保護カバー４０は、収容ケース３の一部を構成するものであり、保護プレート４４を有している。保護カバー４０は、投光用通過部３６ａと検出用通過部３６ｂを保護プレート４４で覆うように、ケース本体３０の底面側からネジなどの締結具７２により取付けられている（例えば、図４、図５、および図１０等参照）。より具体的には、保護カバー４０は、保護プレート４４を備えたカートリッジ４１と、カートリッジ４１を着脱自在に保持するホルダ４５とを備えており、ホルダ４５は、底面側から締結具７２によりケース本体３０に取付けられている（図４および図１０参照）。

保護カバー４０には、遮蔽部材５に対向した位置に形成された前側面４０ａと、前側面４０ａの反対側に形成された背側面４０ｂと、前側面４０ａと背側面４０ｂとに連続した一対の横側面４０ｃ、４０ｃと、が形成されている。カートリッジ４１は、保護カバー４０の背側面４０ｂ側からホルダ４５に着脱自在になっている（例えば、図５および図７等参照）。

保護カバー４０を構成するホルダ４５は、ホルダ本体４５ａと、シール材４５ｂと、を備えている。ホルダ本体４５ａには、ケース本体３０に形成された第１ガス流路３５から、保護カバー４０に気体が流れるように第２ガス流路４７が形成されている。シール材４５ｂは、ホルダ本体４５ａとケース本体３０との間に形成された第２ガス流路４７を流れる気体の漏出を防止する部材であり、可撓性を有したゴムまたは樹脂等のシート材からなる。

さらに、ホルダ本体４５ａおよびシール材４５ｂには、貫通孔４５ｃ、４５ｄが形成されている。貫通孔４５ｃ、４５ｄには、リング状のスペーサ４５ｆが挿入されている。スペーサ４５ｆは、ホルダ本体４５ａの貫通孔４５ｃが形成された周りに着座するように配置されている。このように、４つのスペーサ４５ｆをホルダ本体４５ａの貫通孔４５ｄに着座させ、これらをシール材４５ｂの貫通孔４５ｃに挿通させることにより、シール材４５ｂを適正な位置に配置することができる。これにより、シール材４５ｂの位置ずれにより第２ガス流路４７のシール性が低下することを回避することができる。ボルトなどの締結具７２をスペーサ４５ｆの内部に挿通した状態で、締結具７２でホルダ４５はケース本体３０に取付けられる。また、シール材４５ｂには、ケース本体３０に形成された第１ガス流路３５から、保護カバー４０とホルダ本体４５ａとの間に形成された第２ガス流路４７に、気体を流すための連通孔４５ｅが形成されている。

スペーサ４５ｆは、ケース本体３０および保護カバー４０の材料よりも、熱伝導率が低い材料からなることが好ましく、例えば、ケース本体３０および保護カバー４０が金属材料である場合、スペーサ４５ｆは、セラミックス材料からなる。さらにスペーサ４５ｆの材料も、保護カバー４０およびケース本体３０よりも熱伝導率が低い材料からなるので、保護カバー４０からスペーサ４５ｆを介してケース本体３０に伝わる熱を低減することができる。

図７に示すように、ホルダ４５には、凸部４９ａが形成されるように屈曲した板バネ４９が取付けられており、板バネ４９の凸部４９ａが、カートリッジ４１の凹部４１ａに係合することにより、カートリッジ４１をホルダ４５に保持することができる。一方、カートリッジ４１の把持部４１ｂを把持し、カートリッジ４１をホルダ４５から引き抜く際には、板バネ４９が弾性変形するので、カートリッジ４１の凹部４１ａと板バネ４９の凸部４９ａの係合を簡単に解除することができる。

カートリッジ４１は、保護プレート４４を備えており、保護プレート４４は、クリップ４１ｃにより、カートリッジ本体４２から取り外し自在に、カートリッジ本体４２に保持されている。保護プレート４４は、レーザ光Ｌ１、Ｌ２を透過する透明な材料が好ましく、その材料としては、例えばガラス、樹脂等を挙げることができる。保護プレート４４は、投光用通過部３６ａを覆う投光用保護部４４ａと、検出用通過部３６ｂを覆う検出用保護部４４ｂと、を備えており、これらの間には、アルミ箔などの金属膜が形成された被覆部４４ｃを備えている。被覆部４４ｃを設けることにより、カートリッジ４１に保護プレート４４が配置されていることを簡単に視認することができる。

本実施形態では、カートリッジ４１を装着した状態で、ケース本体３０の投光用通過部３６ａおよび検出用通過部３６ｂには保護プレート４４の投光用保護部４４ａおよび検出用保護部４４ｂがそれぞれ覆われている。これにより、溶接時に発生するヒューム等が、投光用通過部３６ａおよび検出用通過部３６ｂに侵入することを抑えることができる。

ここで、第２ガス流路４７は、好ましい態様として、保護プレート４４よりも、後述する放出口側において、対向した位置から気体が保護プレート４４に向かって吹き付けられるように形成されている。具体的には、第２ガス流路４７は、保護プレート４４よりも、投光用放出口４８ａ側において、対向した位置から気体が投光用保護部４４ａ側に向かって吹き付けられるように形成されている。同様に、第２ガス流路４７は、保護プレート４４よりも、検出用放出口４８ｂ側において、対向した位置から気体が検出用保護部４４ｂに向かって吹き付けられるように形成されている。

ホルダ４５の第２ガス流路４７には、保護プレート４４に吹き付けられた気体が、レーザ光Ｌ１が投光される側（すなわちワーク側）に放出する放出口が形成されている。本実施形態では、放出口は、カートリッジ４１をホルダ４５に装着した状態で、投光用保護部４４ａに吹き付けられた気体が放出される投光用放出口４８ａと、検出用保護部４４ｂに吹き付けられた気体が放出される検出用放出口４８ｂとで構成されている。

ここで、第２ガス流路４７は、ケース本体３０に保護カバー４０を取り付けられた状態で、保護カバー４０に形成される流路である。第２ガス流路４７には、蓄圧室４７ａが形成されている（例えば図７、図８Ａ、および図８Ｂ参照）。蓄圧室４７ａは、カートリッジ４１とケース本体３０との間に形成された空間において、第２ガス流路４７内の気体の圧力を安定させるものである。なお、図８Ａおよび図８Ｂでは、ケース本体３０を省略している。なお、図８Ａでは図示しないが、投光用保護部４４ａと対向する位置には、ケース本体３０の投光用通過部３６ａが位置し、図８Ｂでは図示しないが、検出用保護部４４ｂと対向する位置には、ケース本体３０の検出用通過部３６ｂが位置する。さらに、図８Ａ、図８Ｂ、および後述する図１１では、気体の流れを矢印で示しており、これらの図面を参照する際に、気体に符号「Ｆ」を付して、気体の流れを説明する。

図８Ａに示すように、蓄圧室４７ａの両側において、保護プレート４４の投光用保護部４４ａとカートリッジ本体４２の間には、スリット４７ｂ、４７ｂが形成されている。このスリット４７ｂにより、気体Ｆの流れに対する絞りとなって、蓄圧室４７ａ内の圧力を一定に保つことができ、スリット４７ｂから流速を高めた気体Ｆが放出される。

さらに、スリット４７ｂの下流には、スリット４７ｂを通過し、保護カバー４０よりも投光用放出口４８ａ側に流れた気体Ｆを、投光用保護部４４ａに向かって流れるように、気体Ｆの流れを案内する案内溝４７ｃが形成されている。具体的には、案内溝４７ｃは、スリット４７ｂと対向するように、ホルダ４５のホルダ本体４５ａに形成されている。

このようにして、保護プレート４４の投光用保護部４４ａの両側から、保護プレート４４の投光用保護部４４ａに吹き付けられる気体Ｆ同士は向い合って流れる。向い合って流れる気体Ｆは、保護プレート４４の投光用保護部４４ａの表面に衝突しつつ相互に衝突し、その流れは失速し、合流した気体Ｆを投光用放出口４８ａから放出することができる。

本実施形態では、気体Ｆの流速を失速させるので、ワークＷが溶接される側（すなわち、溶接トーチ９１側）に気体Ｆがより流れ難くなるので、安定した溶接を行うことができる。保護プレートよりも放出口側において、対向した位置から保護プレート４４の投光用保護部４４ａに気体Ｆを吹き付けることにより、保護プレートの投光用保護部４４ａに異物等が付着するとともに、投光用放出口４８ａに侵入するヒュームを低減することができる。

同様に、図８Ｂに示すように、蓄圧室４７ａの両側において、保護プレート４４の検出用保護部４４ｂとカートリッジ本体４２の間にも、スリット４７ｂ、４７ｂが形成されている。スリット４７ｂの下流には、スリット４７ｂを通過し、保護カバー４０よりも検出用放出口４８ｂ側に流れた気体Ｆを、検出用保護部４４ｂに向かって流れるように、気体Ｆの流れを案内する案内溝４７ｃが形成されている。具体的には、案内溝４７ｃは、スリット４７ｂと対向するように、ホルダ４５のホルダ本体４５ａに形成されている。

このようにして、保護プレート４４の検出用保護部４４ｂの両側から、保護プレート４４の検出用保護部４４ｂに吹き付けられる気体Ｆ同士は向い合って流れるので、保護プレート４４の検出用保護部４４ｂの表面に衝突しつつ相互に衝突する。この結果、気体Ｆの流れは失速し、合流した気体Ｆを検出用放出口４８ｂから放出することができる。これにより、上述した場合と同じように、溶接の安定性を確保し、検出用保護部４４ｂへの異物の付着および検出用放出口４８ｂへのヒューム侵入を、低減することができる。

これに加えて、本実施形態では、検出用放出口４８ｂの気体Ｆが流れる流路断面は、投光用放出口４８ａの気体Ｆが流れる流路断面よりも大きいため、検出用放出口４８ｂから流れる気体Ｆの流量は、投光用放出口４８ａから流れる気体Ｆの流量よりも多い。気体Ｆが流れる流量が多い検出用放出口４８ｂは、投光用放出口４８ａよりも、遮蔽部材５側に形成されている（図１０参照）ので、検出用放出口４８ｂから放出されたより多くの気体Ｆを遮蔽部材５に吹き付けることができる。これにより、遮蔽部材５を裏面５１ｂ側から効率良く冷却することができる。

４．遮蔽部材５について
図４に示すように、センサ装置１を構成する遮蔽部材５は、ワークＷの溶接時に発生する輻射熱のうち、収容ケース３の下方側（具体的には投光用通過部３６ａおよび検出用通過部３６ｂが形成された側）の収容ケース３の表面に向かう輻射熱Ｈを遮蔽している。遮蔽部材５は、溶融池Ｐから飛散して、収容ケース３の下方側の表面に向かうスパッタＳを遮蔽している。

ここで、遮蔽部材５の材料は、収容ケース３の材料よりも熱伝導率が低い材料からなることが好ましい。本実施形態では、ケース本体３０および保護カバー４０が、金属材料からなる場合、遮蔽部材５は、この金属材料よりも熱伝導率が低い樹脂材料またはセラミックス材料などの非金属材料からなることが好ましい。遮蔽部材５の材料は、収容ケース３の材料よりも熱伝導率が低い材料からなるので、遮蔽部材５から収容ケース３に熱が伝わることを低減することができる。このため、収容ケース３内のセンサユニット２は、輻射熱の影響を受け難いので、センサユニット２の検出精度を確保することができる。

図９に示すように、遮蔽部材５には、溶接時に発生する輻射熱を遮蔽する板状部５１と、収容ケース３に遮蔽部材５を取付けるための２つの第１取付け部５２、５２と、が形成されている。各第１取付け部５２は、ワークＷが溶接される表面５１ａ側とは反対側の位置する板状部５１の裏面５１ｂに、形成されている。

収容ケース３の保護カバー４０（具体的にはホルダ４５）には、板状部５１の裏面５１ｂ側において、遮蔽部材５を取り付けるための第２取付け部４６が形成されている。遮蔽部材５を保護カバー４０に取付けた状態で、第２取付け部４６は、遮蔽部材５の２つの第１取付け部５２、５２の間に配置される。

遮蔽部材５の第１取付け部５２および保護カバー４０の第２取付け部４６には、遮蔽部材５の板状部５１が延在する方向（具体的にはセンサ装置１の横方向）に沿って、取付け用のシャフト７３を挿通する貫通孔５２ａ、４６ａが形成されている。シャフト７３は、例えば金属材料またはセラミックス材料からなる。

遮蔽部材５は、一対の第１取付け部５２の貫通孔５２ａと、これらの間に形成された第２取付け部４６の貫通孔４６ａとに、シャフト７３を挿通することにより、収容ケース３の保護カバー４０に取付けられている。シャフト７３は、シャフト本体７３ａと、これに螺着自在なネジ体７３ｂと、を備えている。シャフト本体７３ａを、収容ケース３（保護カバー４０）の側面側から、貫通孔５２ａ、４６ａに挿通した後、ネジ体７３ｂをシャフト本体７３ａに締め込むことにより、遮蔽部材５を保護カバー４０に取付けることができる。後述するガイド部材６を、その両側から、後述するガイド部材６を介してシャフト本体７３ａおよびネジ体７３ｂの頭部７３ｃ、７３ｄで挟み込むことができる。

収容ケース３には、遮蔽部材５を収容ケース３（の保護カバー４０）に取付けた状態で、遮蔽部材５を、ワークＷが溶接される側に付勢する金属製の弾性部材７５が、保護カバー４０の第２取付け部４６に取着されている。本実施形態では、弾性部材７５で、遮蔽部材５を付勢した状態で、収容ケース３と遮蔽部材５の板状部５１との間に間隙が形成され、ガイド部材６と遮蔽部材５の板状部５１との間も間隙が形成される（図４参照）。この間隙により、遮蔽部材５から収容ケース３への熱を伝え難くすることができる。また、弾性部材７５で、この間隙を形成した状態で、弾性的に遮蔽部材を付勢しているので、弾性部材７５が衝撃緩衝材として働くので、遮蔽部材５の破損を抑えることができる。

本実施形態では、図１１に示すように、検出用放出口４８ｂから放出された気体Ｆが、遮蔽部材５に吹き付けられて、ワークＷが溶接される側とは反対側に流れるように、検出用放出口４８ｂを通過する気体Ｆの流れ方向ｄに対して、遮蔽部材５が傾斜している。具体的には、検出用放出口４８ｂを、気体Ｆの流れ方向ｄに沿って投影した領域に、遮蔽部材５が配置されている。遮蔽部材５は、ワークＷが溶接される側とは反対側に進むに従って、ワークＷに近づくように傾斜している。なお、本明細書でいう「放出口を通過する気体Ｆの流れ方向」とは、放出口の流路断面の中央において気体Ｆが流れる方向のことをいう。

検出用放出口４８ｂから流れ方向ｄに沿って直進する気体Ｆは、傾斜した遮蔽部材５の板状部５１の裏面５１ｂに衝突する。これにより、検出用放出口４８ｂから放出された気体Ｆが、遮蔽部材５に吹き付けられるので、遮蔽部材５を気体Ｆで冷却することができる。さらに、遮蔽部材５に吹き付けられた気体Ｆは、ワークＷが溶接される側とは反対側に流れるので、ワークＷが溶接される側に気体Ｆが流れ難くなる。これにより、ワークの溶接される箇所では、検出用放出口４８ｂから放出される気体Ｆ（の流れ）の影響を低減し、安定した溶接を行うことができる。これにより、溶接部Ｂに、この気体Ｆが混在することを回避することができる。アーク溶接を行う場合には、気体Ｆによりアークが不安定になることはなく、アークの周りにシールドガスを流したとしても、シールドガスの流れが乱れことはないので、溶接品質を確保することができる。

特に、本実施形態では、図８Ｂに示すように、対向した位置から保護プレート４４に吹き付けられる気体Ｆ同士は、保護プレート４４の表面に衝突しつつ相互に衝突し、その流れは失速し、合流した気体Ｆを検出用放出口４８ｂから放出することができる。このようにして、気体Ｆの流速を失速させるので、ワークＷが溶接される側に気体Ｆがより流れ難くなる。

さらに、図１１に示すように、検出用放出口４８ｂから遮蔽部材５に吹き付けられた気体Ｆにより、投光用放出口４８ａから流れる気体Ｆを、ワークが溶接される側とは反対側に押し流すことができる。これにより、投光用放出口４８ａおよび検出用放出口４８ｂの双方から放出される気体Ｆを、最終的にはワークＷが溶接される側とは反対側に流すことができる。

５．ガイド部材６について
センサ装置１は、ガイド部材６をさらに備えてもよい。ガイド部材６は、遮蔽部材５と共働して遮蔽部材５と保護カバーの周りを囲うように、レーザ光Ｌ１が投光される側（図では下方）に延在している（図３および図９参照）。すなわち、ガイド部材６と遮蔽部材５により、放出口（投光用放出口４８ａおよび検出用放出口４８ｂ）から放出される気体Ｆを、レーザ光Ｌが投光されるワークＷ側に向かって案内するノズルが形成される。ガイド部材６は、金属材料またはセラミックス材料からなり、本実施形態では、ガイド部材６は例えば黄銅からなる。ガイド部材６が黄銅からなるので、溶接時に発生する赤外線を反射させることができる。

ここで、図８Ａおよび図８Ｂに示すように、対向した位置から保護プレート４４に吹き付けられた気体Ｆは、相互に衝突する。このため、放出口（投光用放出口４８ａおよび検出用放出口４８ｂ）からの気体Ｆは、保護カバー４０の周りに拡散しやすい。しかしながら、本実施形態では、ガイド部材６は、遮蔽部材５と共働して、遮蔽部材５と共に保護カバーの周りを囲うので、気体Ｆが保護カバー４０の周りに拡散することを抑え、レーザ光Ｌ１が投光される側に気体Ｆを案内することができる。

さらに、本実施形態では、図１０に示すように、ガイド部材６は、保護カバー４０の一対の横側面４０ｃ、４０ｃと背側面４０ｂとを囲うように形成されており、ガイド部材６と各横側面４０ｃとの間には、間隙Ｄが形成されている。

より具体的には、ガイド部材６は、各横側面４０ｃに対向する位置に形成された横板部６１と、横板部６１に連続し、背側面４０ｂに対向する位置に形成された背板部６３と、を備えている。保護カバー４０の横側面４０ｃと、これに対向するガイド部材６の横板部６１とには上述した間隙Ｄが形成されている。背板部６３には、保護カバー４０のカートリッジ４１を引き出すための切り抜き部６３ａが形成されている（図３参照）。

本実施形態では、保護カバー４０の横側面４０ｃと、これに対向するガイド部材６の横板部６１との間に形成された間隙Ｄにより、ガイド部材６から保護カバー４０に向かう、溶接時に発生する輻射熱Ｈの伝達を遮断することができる。

さらに、投光用放出口４８ａおよび検出用放出口４８ｂから放出した気体Ｆの流れにより、間隙Ｄの近傍が負圧になる。これにより、ガイド部材６の横板部６１と保護カバー４０の各横側面４０ｃとの間に形成された間隙Ｄを介して、ケース本体３０の側面近傍から、ガイド部材６と遮蔽部材５で囲まれた空間内に、エア（大気）が吸い込まれる。この吸い込んだエアの流れにより、保護カバー４０の横側面４０ｃよりも外側の方向に、投光用放出口４８ａおよび検出用放出口４８ｂから放出した気体が流れることを抑えることができる。

さらに好ましい態様として、本実施形態では、横板部６１のワークＷが溶接される側の縁部６１ａは、遮蔽部材５側から背板部６３に進むに従って、保護カバー４０に近づくように傾斜している（図３および図１１参照）。これにより、図１１に示すように、気体Ｆが、ワークＷの溶接される側とは反対側（後方側）に流れ易くなる。

また、本実施形態では、ガイド部材６は、ネジなどの取付け具７６を介して、背板部６３においてガイド部材６の背側面４０ｂに取付けられている。取付け具７６は、ワークＷが溶接される側とは反対側に位置するので、ワークＷの溶接時に発生する輻射熱に直接晒されることはない。このような結果、ガイド部材が輻射熱により加熱されたとしても、この熱により保護カバー４０を介して、ケース本体３０に収容されたセンサユニット２が加熱されることを低減することができる。

さらに、図９に示すように、ガイド部材６には、シャフト７３が入り込む切れ込み部６６が形成されており、シャフト７３は、ガイド部材６に形成された切り込み部６６に収容されている。ガイド部材６を取り外す際には、まず、２つの取付け具７６，７６を外し、シャフト本体７３ａとネジ体７３ｂの締結を緩める。次に、ガイド部材６を後方に向かって引き抜けば、シャフト７３が切り込み部６６から抜け出し、ガイド部材６をセンサ装置１から簡単に取り外すことができる。これにより、遮蔽部材５を保護カバー４０に取り付けた状態で、かつ、ガイド部材６を保護カバー４０から取り外した状態で、保護カバー４０を点検することができる。

以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。

本実施形態では、センサユニットは、レーザ光をワークに投光し、ワークから反射したレーザ光を検出光として受光し、ワークの状態（形状）および検出部からワークまでの距離を測定したが、たとえば、センサユニットが、ワークから反射する光または溶接時にワークから発する光を、検出光として撮像装置（カメラ）で撮像し、ワークの溶接状態等を検出してもよい。

１：（溶接用）センサ装置、２：センサユニット、２１：投光部、２２：検出部、３：収容ケース、３Ａ：収容体、３０：ケース本体、３５：第１ガス流路、３６ａ：投光用通過部、３６ｂ：検出用通過部、４０：保護カバー、４１：カートリッジ、４２：カートリッジ本体、４４：保護プレート、４４ａ：投光用保護部、４４ｂ：検出用保護部、４５：ホルダ、４５ａ：ホルダ本体、４６：第２取付け部、４６ａ：貫通孔、４７：第２ガス流路、５：遮蔽部材（遮蔽部）、５１：板状部、５２：第１取付け部、５２ａ：貫通孔、６：ガイド部材（ガイド部）、７３：シャフト、７５：弾性部材、Ｄ：間隙、Ｆ：気体、Ｌ１，Ｌ２：レーザ光、Ｗ：ワーク

Claims (7)

1. 溶接されるワークの状態または前記ワークまでの距離を測定するセンサユニットと、
   前記センサユニットを収容するとともに、内部に気体が流れるガス流路が形成された収容部と、前記ワークの溶接時に発生する輻射熱のうち、前記収容部に向かう輻射熱を遮蔽する遮蔽部と、を有した収容体と、を少なくとも備えた、溶接用センサ装置であって、
   前記遮蔽部は、前記ガス流路の放出口から放出された気体が、前記遮蔽部に吹き付けられて、前記ワークが溶接される側とは反対側に流れるように、前記放出口を通過する前記気体の流れ方向に対して傾斜していることを特徴とする溶接用センサ装置。
2. 前記センサユニットは、溶接されるワークの表面からの光を検出光として検出する検出部を少なくとも備え、
   前記収容体は、前記収容部として、前記センサユニットを収容するとともに、前記検出部へ向かう検出光が通過する少なくとも１つの通過部が形成されたケース本体と、
   前記検出光を透過する保護プレートを有し、前記通過部を前記保護プレートで覆うように、前記ケース本体に取付けられた保護カバーと、を備えており、
   前記ガス流路は、前記保護プレートよりも前記放出口側において、対向した位置から気体が前記保護プレートに向かって吹き付けられ、前記保護プレートに吹き付けられた気体が前記放出口に向かうように形成されていることを特徴とする請求項１に記載の溶接用センサ装置。
3. 前記センサユニットは、溶接されるワークの表面にレーザ光を投光する投光部と、前記検出部として前記ワークの表面から反射したレーザ光を検出する検出部と、を少なくとも備え、検出された前記レーザ光から、前記ワークの形状または前記ワークまでの距離を測定するセンサユニットであり、
   前記ケース本体には、前記通過部として、前記投光部からのレーザ光が通過する投光用通過部と、前記検出部へのレーザ光が通過する検出用通過部と、が形成されており、
   前記保護プレートは、前記投光用通過部を覆う投光用保護部と、前記検出用通過部を被う検出用保護部と、を備えており、
   前記保護プレートには、前記放出口として、前記投光用保護部に吹き付けられた気体が放出される投光用放出口と、前記検出用保護部に吹き付けられた気体が放出される検出用放出口と、が形成されており、
   前記検出用放出口の気体が流れる流路断面は、前記投光用放出口の気体が流れる流路断面よりも大きく、
   前記検出用放出口は、前記投光用放出口よりも、前記遮蔽部側に形成されていることを特徴とする請求項２に記載の溶接用センサ装置。
4. 前記収容体は、前記遮蔽部と共働して前記保護カバーの周りを囲うように、前記ワーク側に延在したガイド部を備えることを特徴とする請求項２に記載の溶接用センサ装置。
5. 前記保護カバーは、前記遮蔽部に対向した位置に形成された前側面と、前記前側面の反対側に形成された背側面と、前記前側面と前記背側面とに連続した一対の横側面とが形成されており、
   前記ガイド部は、前記一対の横側面と前記背側面とを囲うように形成されており、
   前記ガイド部と前記各横側面との間には、間隙が形成されていることを特徴とする請求項４に記載の溶接用センサ装置。
6. 前記ガイド部は、取付け具を介して、前記背側面に取付けられていることを特徴とする請求項５に記載の溶接用センサ装置。
7. 前記ガイド部は、前記各横側面に対向する位置に形成された横板部と、前記横板部に連続し、前記背側面に対向する位置に形成された背板部と、を備えており、前記横板部のワーク側の縁部は、前記遮蔽部側から前記背板部に進むに従って、前記保護カバーに近づくように傾斜していることを特徴とする請求項５に記載の溶接用センサ装置。

Images