JP2008260055A - 溶接観察装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】溶接アーク放電下において、溶接状態を確認するためにアーク放電光をフィルタリングする光学系として、テレセントリック光学系とフォトクロミックフィルタ（ＰＣＦ）による部分減光を使用し、ＰＣＦ上で結像させず、ＰＣＦ上から焦点がずれても減光性能を確保でき、溶接状態のモニタリングが良好な溶接観察装置を提供する。
【解決手段】アーク溶接部８と、アーク溶接部８からの光を集光する対物光学系（１，２）と、対物光学系（１，２）により集光した光を導光するテレセントリック光学系３と、テレセントリック光学系３によって導光された光を照射するＰＣＦ４と、ＰＣＦ４を透過した光を受光する固体撮像装置９とを備え、ＰＣＦ４により、アーク溶接部８からの光を、部分減光する。
【選択図】図１

Description

本発明は溶接観察装置に関し、特に溶接アーク放電下において、溶接状態を確認するためにアーク放電光をフィルタリングする光学系に特徴を有する溶接観察装置に関する。
アーク溶接には、例えば、ティグ方式（ＴＩＧ：Tungsten Inert Gas Welding）、ミグ方式（ＭＩＧ：Metal Inert Gas Welding）、マグ方式（ＭＡＧ：Metal Active Gas Welding）などがある。また、ＣＯ2ガスアーク溶接方式（ＭＡＧ）などもある。
ＴＩＧ方式は、アルゴンまたはヘリウムなどの不活性ガス雰囲気中で、タングステン電極と母材間にアークを発生させて、このアーク熱を利用して母材と溶接棒（または溶加棒）を溶融させて溶接する方法である。タングステン電極はアークを発生させるだけで、自らは溶融移行しない。
ＭＡＧ方式においては、溶接が開始されると、溶接ワイヤが連続的に供給され、溶接ワイヤと母材間に発生したアークが持続されて、溶接が進行する。溶接ワイヤは、アークを発生する電極であると同時に、そのアーク熱によって、自らも溶融して溶接金属を形成する。この際、溶接トーチ先端部のノズルより流出するシールドガスによって、溶接金属を遮蔽し、大気の悪影響を防止しているが、このシールドガスとしては、ＣＯ2ガス、アルゴンガス、アルゴンガスにＣＯ2ガスを混合したガスなどが用いられる。ＭＡＧ溶接という用語は、シールドガスの種類、特性を考慮して定義されたものであり、溶接法としての原理は、ＭＩＧ溶接やＣＯ2ガスアーク溶接と同じである。
ＭＩＧ方式の原理はＭＡＧ方式と同じであるが、シールドガスの種類として、アルゴンやヘリウム（またはこれらの混合ガス）などのイナートガス（不活性ガス）を使用し、あるいはこれにＣＯ2ガスや酸素などのアクティブガス（活性ガス）を少量添加したものを使用する。
アーク溶接のアークは、一般に強い光、特に紫外放射と可視光を放射するため、作業現場ではこの紫外放射によって多くの角膜炎、結膜炎が発生している。また、可視光による網膜障害の事例も報告されている。溶接アークは、紫外、可視、赤外の広い波長範囲に光を同時に放射するが、そのスペクトルの形は、一般に、溶接法や条件によって異なる。
ＴＩＧ方式、ＭＩＧ方式、ＭＡＧ方式のいずれの方式においても、従来の溶接観察装置においては、光学的なダイナミックレンジが狭く、溶接時において、溶接部の高輝度部分と、溶接部の周辺部分の暗部との間で、同時に観察することが難しいという問題点がある。
上記問題点を解決するために、電子式画像合成などを使用する従来の溶接観察装置においては、装置が大きく、複雑となり、取り付けにくく、高価である。
上記問題点を解決するために、レーザ照明などの高輝度照明を利用する従来の溶接観察装置においては、装置が大きく、取り付けにくく、高価であると同時に、レーザ照明ではカラー化できず、アーク部分を観察できないという問題点がある。
上記問題点を解決するために、ＮＤ（Neutral Density）フィルタを使用する従来の溶接観察装置においては、カラー画像が鮮明に得ることができず、溶接部の周辺部分の暗部が観察できないという問題点がある。
上記問題点を解決するために、部分フィルタを使用する従来の溶接観察装置においては、画面構成上、部分フィルタを配置するための位置を固定する必要がある。
アーク溶接をビデオ観察するための装置および方法については、既に開示されている（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１においては、アーク溶接環境下において発生する様々な光をフィルタリングためのレンズ構成およびシステムが開示されている。特許文献１に係るシステムにおいては、アーク溶接時に発生する溶接部の高輝度光のコントラストを劇的に低減化して、適切な遠隔監視を可能としている。具体的には、フォトクロミックレンズ(Photochromic Lens)を使用して、アーク溶接部のネガティブイメージを形成する。特許文献１に係るシステムにおいては、フォトクロミックレンズを使用して形成するアーク溶接部のネガティブイメージは、フォトクロミックレンズ上に照射されて結像する溶接部の輝度を低減化するための濃度可光学フィルタとして機能する。特許文献１に係るシステムにおいては、まず第１のレンズを使用して、フォトクロミックレンズ上にアーク溶接部の光を集光・結像させ、次に、第２のレンズを使用して、紫外光を除去してカメラに入力する画像を形成している。
フォトクロミックレンズを使用する上記特許文献１のシステムにおいては、高性能のフォトクロミックフィルタ（ＰＣＦ:Photochromic Filter）が必要であり、しかも焦点がずれると減光性能が急激に低下するという問題点がある。
米国特許第５２５５０８８号明細書（ＦＩＧ．２）
本発明は、溶接アーク放電下において、溶接状態を確認するためにアーク放電光をフィルタリングする光学系として、テレセントリック光学系とＰＣＦによる部分減光を使用し、ＰＣＦ上で結像させず、ＰＣＦ上から焦点がずれても減光性能を確保でき、溶接状態のモニタリングが良好な溶接観察装置を提供することを目的とする。
本発明の一態様によれば、アーク溶接部と、前記アーク溶接部からの光を集光する対物光学系と、前記対物光学系により集光した光を導光するテレセントリック光学系と、前記テレセントリック光学系によって導光された光を照射するフォトクロミックフィルタと、前記フォトクロミックフィルタを透過した光を受光する固体撮像装置とを備え、前記フォトクロミックフィルタにより前記アーク溶接部からの光を部分減光することを特徴とする溶接観察装置が提供される。
本発明の他の態様によれば、アーク溶接部と、前記アーク溶接部からの光を集光するウィンドウユニットと前記ウィンドウユニットにより集光した光を照射する第１波長フィルタとを備える対物光学系と、前記第１波長フィルタを透過した光を導光するテレセントリック光学系と、前記テレセントリック光学系によって導光された光を照射する第２および第３波長フィルタと、前記第２および第３波長フィルタを透過した光を受光する固体撮像装置とを備え、前記第３波長フィルタにより前記アーク溶接部からの光を部分減光することを特徴とする溶接観察装置が提供される。
本発明の他の態様によれば、アーク溶接部と、前記アーク溶接部からの光を集光するウィンドウユニットと前記ウィンドウユニットにより集光した光を照射する第１波長フィルタとを備える対物光学系と、前記第１波長フィルタを透過した光を導光するテレセントリック光学系と、前記テレセントリック光学系によって導光された光を照射するフォトクロミックフィルタと、前記フォトクロミックフィルタを透過した光を照射する第２および第３波長フィルタと、前記第２および第３波長フィルタを透過した光を受光する固体撮像装置とを備え、前記第３波長フィルタおよび前記フォトクロミックフィルタにより前記アーク溶接部からの光を、部分減光することを特徴とする溶接観察装置が提供される。
本発明の他の態様によれば、アーク溶接部と、前記アーク溶接部からの光を集光する対物光学系と、前記対物光学系により集光した光を導光するイメージファイバと、前記イメージファイバによって導光された光を照射するフォトクロミックフィルタと、前記フォトクロミックフィルタを透過した光を受光する固体撮像装置とを有するカメラ部とを備え、前記フォトクロミックフィルタにより、前記アーク溶接部からの光を部分減光することを特徴とする溶接観察装置が提供される。
本発明の他の態様によれば、アーク溶接部と、前記アーク溶接部からの光を集光するウィンドウユニットと前記ウィンドウユニットにより集光した光を照射する第１波長フィルタとを備える対物光学系と、前記第１波長フィルタを透過した光を導光するイメージファイバと、前記イメージファイバによって導光された光を照射する第２および第３波長フィルタと、前記第２および第３波長フィルタを透過した光を受光する固体撮像装置とを有するカメラ部とを備え、前記第３波長フィルタにより、前記アーク溶接部からの光を部分減光することを特徴とする溶接観察装置が提供される。
本発明の他の態様によれば、アーク溶接部と、前記アーク溶接部からの光を集光するウィンドウユニットと前記ウィンドウユニットにより集光した光を照射する第１波長フィルタとを備える対物光学系と、前記第１波長フィルタを透過した光を導光するイメージファイバと、前記イメージファイバによって導光された光を照射するフォトクロミックフィルタと、前記フォトクロミックフィルタを透過した光を照射する第２および第３波長フィルタと、前記第２および第３波長フィルタを透過した光を受光する固体撮像装置とを有するカメラ部とを備え、前記第３波長フィルタおよび前記フォトクロミックフィルタにより、
前記アーク溶接部からの光を部分減光することを特徴とする溶接観察装置が提供される。
本発明の溶接観察装置によれば、溶接アーク放電下において、溶接状態を確認するためにアーク放電光をフィルタリングする光学系を有することによって、溶接状態のモニタリングを良好にすることができる。
次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、現実のものとは異なることに留意すべきである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。
また、以下に示す実施の形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の技術的思想は、各構成部品の配置などを下記のものに特定するものでない。この発明の技術的思想は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。
[第１の実施の形態]
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る溶接観察装置の模式的断面構造を示す。また、図２は、本発明の第１の実施の形態の比較例に係る溶接観察装置の模式的断面構造を示す。
本発明の第１の実施の形態に係る溶接観察装置は、図１に示すように、アーク溶接部８と、アーク溶接部８からの光を集光する対物光学系（１）と、対物光学系（１）により集光した光を導光するテレセントリック光学系（３）と、テレセントリック光学系（３）によって導光された光を照射するＰＣＦ４と、ＰＣＦ４を透過した光を受光する固体撮像装置９とを備え、ＰＣＦ４により、アーク溶接部８からの光を部分減光する。
又、本発明の第１の実施の形態に係る溶接観察装置は、図１に示すように、アーク溶接部８と、アーク溶接部８からの光を集光するウィンドウユニット１とウィンドウユニット１により集光した光を照射する第１波長フィルタ２とを備える対物光学系と、波長フィルタ２を透過した光を導光するテレセントリック光学系（３）と、テレセントリック光学系（３）によって導光された光を照射する第２および第３波長フィルタ（５，６）と、第２および第３波長フィルタ（５，６）を透過した光を受光する固体撮像装置９とを備え、第３波長フィルタ６により、アーク溶接部８からの光を部分減光する。
或いはまた、本発明の第１の実施の形態に係る溶接観察装置は、図１に示すように、アーク溶接部８と、アーク溶接部８からの光を集光するウィンドウユニット１とウィンドウユニット１により集光した光を照射する第１波長フィルタ２とを備える対物光学系と、波長フィルタ２を透過した光を導光するテレセントリック光学系（３）と、テレセントリック光学系（３）によって導光された光を照射するＰＣＦ４と、ＰＣＦ４を透過した光を照射する第２および第３波長フィルタ（５，６）と、第２および第３波長フィルタ（５，６）を透過した光を受光する固体撮像装置とを備え、第３波長フィルタ６およびＰＣＦ４により、アーク溶接部８からの光を部分減光する。
図１において、対物光学系は、ウィンドウユニット１を備え、スペーサ４４内に配置されている。テレセントリック光学系は、対物レンズ３を備え、レンズホルダ４６内に収納されている。４８はボディ、５０はカメラヘッド、７はローパスフィルタを示す。
本発明の第１の実施の形態の比較例に係る溶接観察装置は、図２に示すように、アーク溶接部８と、アーク溶接部８からの光を集光するウィンドウユニット１とウィンドウユニットにより集光した光を照射する第１波長フィルタ２とを備える対物光学系と、波長フィルタ２を透過した光を導光する対物レンズ３と、対物レンズ３によって導光された光が結像するＰＣＦ４と、ＰＣＦ４を透過した光を照射する第２および第３波長フィルタ（５，６）と、第２および第３波長フィルタ（５，６）を透過した光を受光する固体撮像装置９とを備え、第３波長フィルタ６およびＰＣＦ４により、アーク溶接部８からの光を部分減光する。
本発明の第１の実施の形態の比較例に係る溶接観察装置においては、テレセントリック光学系を使用していない。対物レンズ３によって導光された光がＰＣＦ４面上に結像することから、高性能のＰＣＦ４を使用すれば、アーク溶接部８からの光を、劇的なコントラストで減光することが可能である。しかしながら、対物レンズ３によって導光された光がＰＣＦ４面上に結像することから、わずかでも焦点がずれた場合には、焦点深度が浅い構成のため、減光特性が急激に劣化してしまう。
一方、本発明の第１の実施の形態に係る溶接観察装置においては、図１に示すように、テレセントリック光学系を使用することで、焦点深度が深くなり、劇的なコントラストで減光することはできないが、カラー化画像が得られる、広いダイナミックレンジ特性が得られる、低価格のＰＣＦを複数枚重ねて部分減光可能など、様々な高機能化を実現することができる。
図３は、本発明の第１の実施の形態に係る溶接観察装置の模式的光路図を示す。図３は、図１に示された本発明の第１の実施の形態に係る溶接観察装置に対応している。
ウィンドウユニット１は、全光量の調整を行なう機能を備える。対物レンズ３と共に、テレセントリック光学系の一部を構成しているものと見ることもできる。
第１波長フィルタ２は、紫外光（ＵＶ）を透過し、可視光（ＶＩＳ）を吸収あるいは反射する性能を有する。図５は、第１波長フィルタ２のフィルタリング特性例（２００ｎｍ〜５００ｎｍ）、図６は、第１波長フィルタ２のフィルタリング特性例（２００ｎｍ〜２０００ｎｍ）を示す。
対物レンズ３は、結像用のレンズであるが、ＵＶ光、ＶＩＳ光のいずれも透過可能である。
ＰＣＦ４は、ＵＶ光により部分的に濃度変化し、ＶＩＳ光をマスクする性能を備える。
第２波長フィルタ５は、固体撮像装置９の保護のために、ＵＶ光を反射し、ＶＩＳ光を透過する性能を有する。図７は、第２波長フィルタ５のフィルタリング特性例を示す。
第３波長フィルタ６は、赤外（ＩＲ）光を反射し、ＶＩＳ光を透過する性能を有する。図８は、第３波長フィルタ６のフィルタリング特性例を示す。第３波長フィルタ６は、波長選択のためのフィルタであり、例えば図８に示すように、窓波長を有するバンドパスフィルタとして機能する。
（ＣＣＤカメラの性能）
図１１は、本発明の第１の実施の形態に係る溶接観察装置に適用する固体撮像装置として、電荷転送素子（ＣＣＤ：Charge Coupled Device）の出力信号と分光放射照度との関係を説明する模式図である。
ＴＩＧ、ＭＩＧ、ＭＡＧなどのアーク溶接ではアークの部分が非常に明るいため、通常のＣＣＤカメラでは、ダイナミックレンジが足りないため、アークとワークを同時に観察することができない。
すなわち、図１１に示すように、ＣＣＤ出力信号は、暗電流Ｉsnで決まる分光放射強度Ｐ0と、飽和出力信号ＩSATで決まる分光放射強度Ｐ1の範囲で略リニアなダイナミックレンジが得られる.
ＣＣＤ出力信号は、分光放射強度Ｐ1で飽和出力信号ＩSATとなり、分光放射強度がＰ1よりも大きなＰ2では、飽和出力信号ＩSATに固定されてしまい、広いダイナミックレンジにおいて期待される出力信号ＩPOを得ることができない。
本発明の第１の実施の形態に係る溶接観察装置においては、カラー化、カメラの小型化を維持するために、ＰＣＦという紫外線によって可視領域での濃度が変化するフィルタを使用する。ＴＩＧや、ＭＩＧ、ＭＡＧの溶接では、アークに部分から多量の紫外線が放射されるため、ＰＣＦを用いて、ＰＣＦを部分的に黒くして、可視光領域で減光させている。
本発明の第１の実施の形態に係る溶接観察装置においては、紫外画像を、ＰＣＦ上には結像させない。レンズはテレセントリック光学系を使用し、紫外光、および可視光の光線束は、ＰＣＦ全体に広がらず、部分的に小さく透過していく。このため、本発明の第１の実施の形態の比較例に係る溶接観察装置ほどコントラストがシャープではないが、紫外光の強い光の部分、すなわちアークの部分を、空間的に、部分的に減光することができる。このため、ＰＣＦの濃度変化率が低くても、ＰＣＦを複数枚重ねることによって、減光特性を強化することができる。ＴＩＧ溶接などでは、良好な観察結果が得られており、例えば、視野径約４０ｍｍ、ワーキングディスタンス（ＷＤ）は、１５０ｍｍ程度の溶接観察装置が得られている。
溶接アークは、紫外、可視、赤外の広い波長範囲に光を同時に放射するが、そのスペクトルの形は、一般に、溶接法や条件によって異なる。
発生する光のスペクトル（波長分布）の例を図１２および図１３に示す。
図１２は、軟鋼のＭＡＧ溶接における分光放射照度と波長との関係（発光スペクトル）を示す一例であり、アークから距離約１ｍの位置における分光放射照度を示す。線スペクトルのほとんどが鉄（Ｆｅ）によるもので、軟鋼およびステンレス鋼の溶接の場合には、これと似た形のスペクトルとなる。
図１３は、アルミニウム合金のＭＩＧ溶接における分光放射照度と波長との関係（発光スペクトル）を示す一例であり、アークから距離約１ｍの位置における分光放射照度を示す。線スペクトルのほとんどがアルミニウム、マグネシウム、アルゴンによるものである。
図１４は、ＭＩＧ溶接、ＭＡＧ溶接、ＣＯ2溶接の分光放射照度と波長との関係（発光スペクトル）と、カラーフィルタの窓領域の存在を説明する図であり、図１５は、ＭＩＧ溶接、ＭＡＧ溶接、ＣＯ2溶接の分光放射照度と波長との関係（発光スペクトル）と、単色光の窓領域の存在を説明する図である。
また、図１６は、本発明の第１の実施の形態に係る溶接観察装置を用いて観察したアーク溶接時の撮影例であり、図１７は、本発明の第１の実施の形態に係る溶接観察装置を用いて観察した別のアーク溶接時の撮影例である。
さらに、図１８は、本発明の第１の実施の形態に係る溶接観察装置を用いて観察したアーク溶接時の高輝度部分の拡大図である。
（第１の実施の形態の変形例）
図４は、本発明の第１の実施の形態の変形例に係る溶接観察装置の模式的断面構造を示す。例えば、ＭＩＧ、ＭＡＧなどの溶接において、ハイパワー光、パルス光などを観察する場合には、空間的な減光だけでは、アーク光を減光しきれない場合（減光特性が足りない場合）に、波長域で遮光する方法を組み合わせることが有効である。
本発明の第１の実施の形態の変形例に係る溶接観察装置は、図４に示すように、アーク溶接部８と、アーク溶接部８からの光を集光するウィンドウユニット１とウィンドウユニット１により集光した光を照射する第１波長フィルタ２とを備える対物光学系と、第１波長フィルタ２を透過した光を導光するテレセントリック光学系（３）と、テレセントリック光学系（３）によって導光された光を照射するＰＣＦ４と、ＰＣＦ４を透過した光を照射する第２および第３波長フィルタ（５，８０）と、第２および第３波長フィルタ（５，８０）を透過した光を受光する固体撮像装置９とを備え、第３波長フィルタ８０およびＰＣＦ４により、アーク溶接部８からの光を部分減光する。
図１に示した本発明の第１の実施の形態に係る溶接観察装置との差異は、第３波長フィルタ８０の特性が異なることである。
本発明の第１の実施の形態の変形例に係る溶接観察装置は、第３波長フィルタとして、ＲＧＢの３波長カラーフィルタを使用して、カラー化することもできる。
また、本発明の第１の実施の形態の変形例に係る溶接観察装置は、第３波長フィルタとして、アーク溶接の発光スペクトルの窓波長に対応して、狭帯域化したＲＧＢバンドパスフィルタを使用して、カラー化することもできる。
また、本発明の第１の実施の形態の変形例に係る溶接観察装置は、第３波長フィルタとして、アーク溶接の発光スペクトルの窓波長に対応したバンドパスフィルタを使用して単色化して減光することもできる。
すなわち、本発明の第１の実施の形態の変形例に係る溶接観察装置は、図１４に示すアーク溶接時の発光スペクトルにおいて、ＢＧＲで示すように、アーク放射強度の少ない部分を窓として、他の波長領域を波長フィルタで減光することができる。
また、本発明の第１の実施の形態の変形例に係る溶接観察装置は、図１４に示すアーク溶接時の発光スペクトルにおいて、ＢＧＲの複数の窓波長を透過するフィルタを使用し、これによって、カラー画像を得ることもできる。この場合には、ＣＣＤカメラ側において、色補正手段を設けることも必要となる。
また、本発明の第１の実施の形態の変形例に係る溶接観察装置は、図１５に示すように、波長域として、例えば６００ｎｍ〜７００ｎｍ程度の範囲をバンドパスフィルタで選択的に観察することができる。バンド幅は、狭く設定することもでき、あるいは上記範囲で広く設定することもできる。
また、本発明の第１の実施の形態の変形例に係る溶接観察装置は、別の波長として、赤外領域の光を利用することもできる。
また、本発明の第１の実施の形態の変形例に係る溶接観察装置は、ＰＣＦを使用せず、波長フィルタのみを使用することもできる。
また、本発明の第１の実施の形態およびその変形例に係る溶接観察装置は、アーク溶接部８は、ＴＩＧ溶接、ＭＩＧ溶接、ＭＡＧ溶接、あるいは炭酸ガス溶接に適用可能である。
また、本発明の第１の実施の形態およびその変形例に係る溶接観察装置において、ＰＣＦは、モジュール化され交換可能な構造を備えることも可能である。
また、本発明の第１の実施の形態およびその変形例に係る溶接観察装置は、アーク溶接機に適用することができる。
本発明の第１に実施の形態およびその変形例に係る溶接観察装置によれば、光学系だけで構成することができるため、コンパクト化され、取り付けスペースをとらないため、省スペース化可能である。
また、本発明の第１に実施の形態およびその変形例に係る溶接観察装置は部品点数が少ないため、低コスト化を実現することができる。
また、本発明の第１に実施の形態およびその変形例に係る溶接観察装置においては、ＰＣＦを重ねて使用できるため、紫外光量に対する可視濃度が変化するように、フィルタ性能が劣っていても、また厚さが大きくても十分に使用可能である。
また、本発明の第１に実施の形態およびその変形例に係る溶接観察装置によれば、カラー観察を実現することができる。
また、本発明の第１に実施の形態およびその変形例に係る溶接観察装置によれば、アーク部分（明るい部分）とワーク部分（暗い部分）の同時観察を実現することができる。
[第２の実施の形態]
図９は、本発明の第２の実施の形態に係る溶接観察装置の模式的断面構造を示す。また、図１０は、本発明の第２の実施の形態に係る溶接観察装置の全体構成を示す。
本発明の第２の実施の形態に係る溶接観察装置の全体構成は、図１０に示すように、対物光学系５２と、対物光学系５２に接続されるイメージファイバ５４と、イメージファイバ５４に接続されるカメラ部５６と、カメラ部５６に接続されるカメラ制御部６０とを有する。
本発明の第２の実施の形態に係る溶接観察装置においては、第１の実施の形態におけるテレセントリック光学系（３）をイメージファイバ５４で置換した構成を有し、その他の構成は、第１の実施の形態に係る溶接観察装置と同様である。このため、各部の詳細な構成は、重複するため説明を省略する。
本発明の第２の実施の形態に係る溶接観察装置は、図９に示すように、アーク溶接部８と、アーク溶接部８からの光を集光する対物光学系５２と、対物光学系５２により集光した光を導光するイメージファイバ５４と、イメージファイバ５４によって導光された光を照射するＰＣＦ４，ＰＣＦ４を透過した光を受光する固体撮像装置９を有するカメラ部５６とを備え、ＰＣＦ４により、アーク溶接部８からの光を部分減光する。
また、本発明の第２の実施の形態に係る溶接観察装置は、アーク溶接部８と、アーク溶接部８からの光を集光するウィンドウユニット１とウィンドウユニット１により集光した光を照射する第１波長フィルタ２とを備える対物光学系５２と、第１波長フィルタ２を透過した光を導光するイメージファイバ５４と、イメージファイバ５４によって導光された光を照射する第２および第３波長フィルタ（５，６）と第２および第３波長フィルタ（５，６）を透過した光を受光する固体撮像装置９とを有するカメラ部５６とを備え、第３波長フィルタ６により、アーク溶接部８からの光を部分減光する。
また、本発明の第２の実施の形態に係る溶接観察装置は、アーク溶接部８と、アーク溶接部８からの光を集光するウィンドウユニット１とウィンドウユニット１により集光した光を照射する第１波長フィルタ２とを備える対物光学系５２と、第１波長フィルタ２を透過した光を導光するイメージファイバ５４と、イメージファイバ５４によって導光された光を照射するＰＣＦ４とＰＣＦ４を透過した光を照射する第２および第３波長フィルタ（５，６）と、第２および第３波長フィルタを透過した光を受光する固体撮像装置９とを有するカメラ部５６とを備え、第３波長フィルタ６およびＰＣＦ４により、アーク溶接部８からの光を部分減光する。
また、本発明の第２の実施の形態に係る溶接観察装置は、第３波長フィルタとして、ＲＧＢの３波長カラーフィルタを使用して、カラー化することもできる。
また、本発明の第２の実施の形態に係る溶接観察装置は、第３波長フィルタとして、アーク溶接の発光スペクトルの窓波長に対応した狭帯域化したＲＧＢバンドパスフィルタを使用して、カラー化することもできる。
また、本発明の第２の実施の形態に係る溶接観察装置は、第３波長フィルタとして、アーク溶接の発光スペクトルの窓波長に対応したバンドパスフィルタを使用して単色化して減光することもできる。
また、本発明の第２の実施の形態に係る溶接観察装置は、第３波長フィルタとして、赤外光バンドパスフィルタを使用して、赤外光を観察することもできる。
また、本発明の第２の実施の形態に係る溶接観察装置は、ＴＩＧ溶接、ＭＩＧ溶接、ＭＡＧ溶接、あるいは炭酸ガス溶接に適用可能である。
また、本発明の第２の実施の形態に係る溶接観察装置においては、ＰＣＦ４は、モジュール化され交換可能な構造を備えることも可能である。
また、本発明の第２の実施の形態に係る溶接観察装置は、アーク溶接機に適用することができる。
本発明の第２の実施の形態に係る溶接観察装置は、電子機器（カメラ部）への熱伝導を遮断することができ、また、冷却ジャケットの取り付けが難しい場合に適用することができる。耐熱温度としては、例えば約１５０℃である。
イメージファイバ５４は、石英系のイメージファイバを適用することができ、例えば、画素数としては、約３万画素程度である。
本発明の第２に実施の形態に係る溶接観察装置によれば、光学系だけで構成することができるため、コンパクト化され、取り付けスペースをとらないため、省スペース化可能である。
また、本発明の第２に実施の形態に係る溶接観察装置は部品点数が少ないため、低コスト化を実現することができる。
また、本発明の第２に実施の形態に係る溶接観察装置においては、ＰＣＦを重ねて使用できるため、紫外光量に対する可視濃度が変化するフィルタ性能が劣っていても、また厚さが大きくても十分に使用可能である。
また、本発明の第２に実施の形態に係る溶接観察装置によれば、カラー観察を実現することができる。
また、本発明の第２に実施の形態に係る溶接観察装置によれば、アーク部分（明るい部分）とワーク部分（暗い部分）の同時観察を実現することができる。
[その他の実施の形態]
上記のように、本発明は第１乃至第２の実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
本発明は第１乃至第２の実施の形態に係る溶接観察装置に適用する固体撮像装置は、ＣＣＤに限定されず、ＣＭＯＳイメージセンサ、アモルファスイメージセンサ、ＭＯＳ型イメージセンサなど、他の方式のイメージセンサを適用することも可能である。
このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態などを含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。
本発明の実施の形態に係る溶接観察装置は、溶接アーク放電下において、溶接状態を確認するためにアーク放電光をフィルタリングする光学系に特徴を有し、溶接状態のモニタリングが良好にすることができることから、ＭＩＧ、ＭＡＧ、ＣＯ2溶接における溶接監視装置や、自動溶接機などへの組み込みに最適である。さらに、本発明の実施の形態に係る溶接観察装置は、アークランプ（Ｘｅ、メタルハライドなど）、ファイバ融着機、プラズマを使用した装置の観察装置としても適用可能である。さらに、本発明の実施の形態に係る溶接観察装置は、溶接装置の制御装置、溶接部の検査装置としても適用可能である。
本発明の第１の実施の形態に係る溶接観察装置の模式的断面構造図。 本発明の第１の実施の形態の比較例に係る溶接観察装置の模式的断面構造図。 本発明の第１の実施の形態に係る溶接観察装置の光路図。 本発明の第１の実施の形態の変形例に係る溶接観察装置の模式的断面構造図。 本発明の第１の実施の形態に係る溶接観察装置に適用する第１波長フィルタのフィルタリング特性例。 本発明の第１の実施の形態に係る溶接観察装置に適用する第１波長フィルタのフィルタリング特性例。 本発明の第１の実施の形態に係る溶接観察装置に適用する第２波長フィルタのフィルタリング特性例。 本発明の第１の実施の形態に係る溶接観察装置に適用する第３波長フィルタのフィルタリング特性例。 本発明の第２の実施の形態に係る溶接観察装置の模式的断面構造図。 本発明の第２の実施の形態に係る溶接観察装置の全体構成図。 本発明の第１の実施の形態に係る溶接観察装置に適用する固体撮像装置（ＣＣＤ）のＣＣＤ出力信号と分光放射照度との関係を説明する模式図。 軟鋼のＭＡＧ溶接における分光放射照度と波長との関係（発光スペクトル）を示す一例。 アルミニウム合金のＭＩＧ溶接における分光放射照度と波長との関係（発光スペクトル）を示す一例。 ＭＩＧ溶接、ＭＡＧ溶接、ＣＯ2溶接の分光放射照度と波長との関係（発光スペクトル）と、カラーフィルタの窓領域の存在を説明する図。 ＭＩＧ溶接、ＭＡＧ溶接、ＣＯ2溶接の分光放射照度と波長との関係（発光スペクトル）と、単色光の窓領域の存在を説明する図。 本発明の第１の実施の形態に係る溶接観察装置を用いて観察したアーク溶接時の撮影図。 本発明の第１の実施の形態に係る溶接観察装置を用いて観察した別のアーク溶接時の撮影図。 本発明の第１の実施の形態に係る溶接観察装置を用いて観察したアーク溶接時の高輝度部分の拡大図。
符号の説明
１…ウィンドウユニット
２…第１波長フィルタ
３…対物レンズ
４…フォトクロミックフィルタユニット
５…第２波長フィルタ
６、８０…第３波長フィルタ
７…ローパスフィルタ
８…アーク溶接部
９…固体撮像装置（ＣＣＤ）
４４…スペーサ
４６…レンズホルダ
４８…ボディ
５０…カメラヘッド
５２…対物光学系
５４…イメージファイバ
５６…カメラ部
６０…カメラ制御装置

Claims (20)

  1. アーク溶接部と、
    前記アーク溶接部からの光を集光する対物光学系と、
    前記対物光学系により集光した光を導光するテレセントリック光学系と、
    前記テレセントリック光学系によって導光された光を照射するフォトクロミックフィルタと、
    前記フォトクロミックフィルタを透過した光を受光する固体撮像装置と
    を備え、前記フォトクロミックフィルタにより前記アーク溶接部からの光を部分減光することを特徴とする溶接観察装置。
  2. アーク溶接部と、
    前記アーク溶接部からの光を集光するウィンドウユニットと前記ウィンドウユニットにより集光した光を照射する第１波長フィルタとを備える対物光学系と、
    前記第１波長フィルタを透過した光を導光するテレセントリック光学系と、
    前記テレセントリック光学系によって導光された光を照射する第２および第３波長フィルタと、
    前記第２および第３波長フィルタを透過した光を受光する固体撮像装置と
    を備え、前記第３波長フィルタにより前記アーク溶接部からの光を部分減光することを特徴とする溶接観察装置。
  3. アーク溶接部と、
    前記アーク溶接部からの光を集光するウィンドウユニットと前記ウィンドウユニットにより集光した光を照射する第１波長フィルタとを備える対物光学系と、
    前記第１波長フィルタを透過した光を導光するテレセントリック光学系と、
    前記テレセントリック光学系によって導光された光を照射するフォトクロミックフィルタと、
    前記フォトクロミックフィルタを透過した光を照射する第２および第３波長フィルタと、
    前記第２および第３波長フィルタを透過した光を受光する固体撮像装置と
    を備え、前記第３波長フィルタおよび前記フォトクロミックフィルタにより前記アーク溶接部からの光を部分減光することを特徴とする溶接観察装置。
  4. 前記第３波長フィルタとして、ＲＧＢの３波長カラーフィルタを使用して、カラー化したことを特徴とする請求項２または３に記載の溶接観察装置。
  5. 前記第３波長フィルタとして、前記アーク溶接の発光スペクトルの窓波長に対応した狭帯域化したＲＧＢバンドパスフィルタを使用して、カラー化したことを特徴とする請求項２または３に記載の溶接観察装置。
  6. 前記第３波長フィルタとして、前記アーク溶接の発光スペクトルの窓波長に対応したバンドパスフィルタを使用して単色化して減光したことを特徴とする請求項２または３に記載の溶接観察装置。
  7. 前記第３波長フィルタとして、赤外光バンドパスフィルタを使用して、赤外光を観察することを特徴とする請求項２または３に記載の溶接観察装置。
  8. アーク溶接部と、
    前記アーク溶接部からの光を集光する対物光学系と、
    前記対物光学系により集光した光を導光するイメージファイバと、
    前記イメージファイバによって導光された光を照射するフォトクロミックフィルタと、前記フォトクロミックフィルタを透過した光を受光する固体撮像装置とを有するカメラ部と
    を備え、前記フォトクロミックフィルタにより、前記アーク溶接部からの光を部分減光することを特徴とする溶接観察装置。
  9. アーク溶接部と、
    前記アーク溶接部からの光を集光するウィンドウユニットと前記ウィンドウユニットにより集光した光を照射する第１波長フィルタとを備える対物光学系と、
    前記第１波長フィルタを透過した光を導光するイメージファイバと、
    前記イメージファイバによって導光された光を照射する第２および第３波長フィルタと、前記第２および第３波長フィルタを透過した光を受光する固体撮像装置とを有するカメラ部と
    を備え、前記第３波長フィルタにより、前記アーク溶接部からの光を部分減光することを特徴とする溶接観察装置。
  10. アーク溶接部と、
    前記アーク溶接部からの光を集光するウィンドウユニットと前記ウィンドウユニットにより集光した光を照射する第１波長フィルタとを備える対物光学系と、
    前記第１波長フィルタを透過した光を導光するイメージファイバと、
    前記イメージファイバによって導光された光を照射するフォトクロミックフィルタと、
    前記フォトクロミックフィルタを透過した光を照射する第２および第３波長フィルタと、前記第２および第３波長フィルタを透過した光を受光する固体撮像装置とを有するカメラ部と
    を備え、前記第３波長フィルタおよび前記フォトクロミックフィルタにより、前記アーク溶接部からの光を部分減光することを特徴とする溶接観察装置。
  11. 前記第３波長フィルタとして、ＲＧＢの３波長カラーフィルタを使用して、カラー化したことを特徴とする請求項９または１０に記載の溶接観察装置。
  12. 前記第３波長フィルタとして、前記アーク溶接の発光スペクトルの窓波長に対応した狭帯域化したＲＧＢバンドパスフィルタを使用して、カラー化したことを特徴とする請求項９または１０に記載の溶接観察装置。
  13. 前記第３波長フィルタとして、前記アーク溶接の発光スペクトルの窓波長に対応したバンドパスフィルタを使用して単色化して減光したことを特徴とする請求項９または１０に記載の溶接観察装置。
  14. 前記第３波長フィルタとして、赤外光バンドパスフィルタを使用して、赤外光を観察することを特徴とする請求項９または１０に記載の溶接観察装置。
  15. 前記アーク溶接部は、ＴＩＧ溶接により形成されることを特徴とする請求項１〜１４のいずれかに記載の溶接観察装置。
  16. 前記アーク溶接部は、ＭＩＧ溶接により形成されることを特徴とする請求項１〜１４のいずれかに記載の溶接観察装置。
  17. 前記アーク溶接部は、ＭＡＧ溶接により形成されることを特徴とする請求項１〜１４のいずれかに記載の溶接観察装置。
  18. 前記アーク溶接部は、炭酸ガス溶接により形成されることを特徴とする請求項１〜１４のいずれかに記載の溶接観察装置。
  19. 前記フォトクロミックフィルタは、モジュール化され交換可能な構造を備えることを特徴とする請求項１〜１８のいずれかに記載の溶接観察装置。
  20. 前記請求項１〜１９のいずれかに記載の溶接観察装置を備えるアーク溶接機。
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