JP7434686B2 - シート層の検査装置及び検査方法 - Google Patents

Description

本発明は、金型等のベース基材上に積層されるシート層の検査装置及び検査方法に関する。

例えば金属シートや樹脂シート、又は繊維強化樹脂シートのような複合材シートを積層し、その積層体に加熱加圧処理を施す等して成形部品（若しくは複雑形状部品）を得る方法が知られている。前記積層体は、例えば、所要の外形形状を有する金型の上に、所定形状を有するシート片を貼って一つの第１シート層を形成し、さらに前記第１シート層の上にシート片を貼って第２シート層を形成するというように、シート層を所要の厚さまで順次積層することによって製造される。

このような成形部品（若しくは複雑形状部品）の製造において、規定の通りにシート層が積層されていないと、当該部品の品質が低下することがある。このため、シート層の積層状態の良否を検査する必要がある。従来、この検査は専ら作業員の目視により実行されている。また、特許文献１には、シート片の積層体の表面形状を、赤外線カメラを用いた三次元形状センサで計測することで、前記積層体への異物の混入の有無やシート層の積層状態を評価する検査システムが提案されている。

特開２０１８－０３１７７５号公報

しかしながら、シート層の積層状態の検査を作業員の目視に依存すれば、省人化が図れないばかりでなく、どうしても判断ミスや見落としが発生する。このため、成形部品（若しくは複雑形状部品）の品質安定化の面で問題が生じる。また、特許文献１の検査システムのような積層体の表面形状を計測する装置を導入する場合、当該積層体の三次元形状を高精度に計測する高価なセンサシステムが必要となり、コスト面で問題が生じる。

本発明は、シート層の積層状態の検査を自動化する一方で、コストダウンを図ることができるシート層の検査装置及び検査方法を提供することを目的とする。

本発明の一局面に係るシート層の検査装置は、ベース基材上に積層されるシート層を検査する検査装置であって、レーザスリット光を用いて検査対象物の二次元形状を計測するレーザセンサと、前記レーザセンサを所定方向に移動させる移動機構とを備えたスキャン装置と、前記レーザセンサにより得られた複数の二次元形状データと、前記二次元形状の計測時における前記レーザセンサの位置データとを関連付けることにより、検査対象物の三次元形状データを求める第１認識部と、前記ベース基材上にシート層が積層される前の第１検査対象物の三次元形状を示す第１の三次元形状データと、前記ベース基材上に前記シート層が積層された後の第２検査対象物の三次元形状を示す第２の三次元形状データとの差分を求めることにより、前記シート層の三次元形状を導出する第２認識部と、前記ベース基材を姿勢変更可能に支持する支持機構と、を備えるシート層の検査装置において、前記ベース基材は、第１表面と、前記第１表面とは面方向が異なる第２表面とを含み、前記シート層は前記第１表面及び前記第２表面に跨がって積層され、前記支持機構は、少なくとも前記レーザスリット光が前記第１表面に照射される姿勢と、前記レーザスリット光が前記第２表面に照射される姿勢との間で姿勢変更可能に、前記ベース基材を支持する。

本発明の他の局面に係るシート層の検査方法は、上記に記載の検査装置を用いた、ベース基材上に積層されるシート層を検査する検査方法であって、レーザスリット光を用いて検査対象物の二次元形状を計測するレーザセンサを、前記レーザスリット光にて前記検査対象物をスキャンするように移動させ、前記レーザセンサにより得られた複数の二次元形状データと、前記二次元形状の計測時における前記レーザセンサの位置データとを関連付けることにより、検査対象物の三次元形状データを求め、前記ベース基材上にシート層が積層される前の第１検査対象物の三次元形状を示す第１の三次元形状データと、前記ベース基材上に前記シート層が形成された後の第２検査対象物の三次元形状を示す第２の三次元形状データとの差分を求めることにより、前記シート層の三次元形状を導出する。
本発明のさらに他の局面に係るシート層の検査方法は、第１表面と、前記第１表面とは面方向が異なる第２表面とを含むベース基材上に積層され、前記第１表面及び前記第２表面に跨がって積層されるシート層を検査する検査方法であって、レーザスリット光を用いて検査対象物の二次元形状を計測するレーザセンサを、前記レーザスリット光にて前記第１表面および前記第２表面をスキャンするように移動させ、前記レーザセンサにより得られた複数の二次元形状データと、前記二次元形状の計測時における前記レーザセンサの位置データとを関連付けることにより、検査対象物の三次元形状データを求め、前記ベース基材上にシート層が積層される前の第１検査対象物の三次元形状を示す第１の三次元形状データと、前記ベース基材上に前記シート層が形成された後の第２検査対象物の三次元形状を示す第２の三次元形状データとの差分を求めることにより、前記シート層の三次元形状を導出する。

この検査装置又は検査方法によれば、シート層の積層後の三次元形状データだけに依存するのではなく、第１の三次元形状データと第２の三次元形状データとの差分に基づき、シート層の三次元形状が評価される。すなわち、第１の三次元形状データを基準として、シート層の一層厚さ相当分だけ設計通りに増加しているか否かを第２の三次元形状データに基づき評価する。そして、シート層の厚さが既知であれば、前記差分に基づく三次元形状において、一層分の厚さが現れていない箇所は、シート層が形成されていないと評価できる。また、二層分以上の厚さが現れている箇所は、シート層が過剰に積層されていると評価できる。従って、前記スキャン装置において、前記レーザセンサの分解能は比較的低いもので足りる。つまり、レーザスリット光を用いて検査対象物の二次元形状を計測する、比較的安価な汎用のレーザセンサを用いたスキャンで足りる。よって、上記の検査装置によれば、シート層の積層状態の検査を自動化することができると共に、コストダウンを図ることができる。

上記のシート層の検査装置において、前記第１検査対象物となる前記ベース基材は、シート層が積層される表面を備えた積層型、若しくは、前記積層型上にシート層が一層又は複数層積層された基礎シート層が形成された形成物であり、前記第２検査対象物は、前記積層型の前記表面にシート層が形成された形成物、若しくは、前記基礎シート層上にさらにシート層が形成された形成物であることが望ましい。

この検査装置によれば、積層型に最初に積層されたシート層、並びに、その後に前記シート層上に順次積層される各シート層の積層状態を、第１の三次元形状データと第２の三次元形状データとの差分に基づき順次評価することができる。

上記のシート層の検査装置において、前記第１の三次元形状データ及び前記第２の三次元形状データの双方が、前記スキャン装置及び前記第１認識部による実測で得られたデータであることが望ましい。

この検査装置によれば、第１及び第２の三次元形状データが共に実測によって取得されるので、実際の積層状態に応じた両データの差分を求めることができる。

上記のシート層の検査装置において、前記第１の三次元形状データ及び前記第２の三次元形状データのうちの一方が、設計値として予め設定された形状データであることが望ましい。

この検査装置によれば、第１及び第２の三次元形状データの一方を設計値から取得するので、スキャン装置による検査対象物のスキャン時間を短縮することができる。

上記のシート層の検査装置において、一つの前記シート層は、複数のシート片を前記ベース基材上に並列的に配置して形成されるものであり、前記スキャン装置の前記移動機構は、前記複数のシート片の配置が全て完了した後に、前記レーザセンサを移動させることが望ましい。

この検査装置によれば、一つのシート片を配置する毎に前記レーザセンサを移動させる場合に比べて、スキャン動作を簡素化することができる。

上記のシート層の検査装置において、前記ベース基材を姿勢変更可能に支持する支持機構をさらに備え、前記ベース基材は、第１表面と、前記第１表面とは面方向が異なる第２表面とを含み、前記シート層は前記第１表面及び前記第２表面に跨がって積層され、前記支持機構は、少なくとも前記レーザスリット光が前記第１表面に照射される姿勢と、前記レーザスリット光が前記第２表面に照射される姿勢との間で姿勢変更可能に、前記ベース基材を支持することが望ましい。

この検査装置によれば、面方向が異なる複数の表面に跨がって積層されたシート層の積層状態を、前記支持機構による前記ベース基材を姿勢変更によって、効率良く評価することができる。

上記のシート層の検査装置において、前記移動機構は、多関節ロボットであって、前記レーザセンサが、前記多関節ロボットのロボット先端部に搭載されている態様は、望ましい態様の一つである。

この検査装置によれば、レーザセンサが多関節ロボットのロボット先端部に搭載されているので、シート層の面形状が複雑であっても、容易にレーザスリット光で検査対象物をスキャンさせることができる。

この場合、前記多関節ロボットは、前記シート層を前記ベース基材に形成する作業を兼用するロボットであることが望ましい。

この検査装置によれば、シート層をベース基材に形成しつつ、当該シート層の積層状態を検査することが可能となる。

上記の検査装置において、前記移動機構は、直交軸ロボットであって、前記レーザセンサが、前記直交軸ロボットのロボット先端部に搭載されている態様は、望ましい態様の一つである。

この検査装置によれば、レーザセンサが直交軸ロボットのロボット先端部に搭載されているので、迅速にレーザスリット光で検査対象物をスキャンさせることができる。

本発明によれば、シート層の積層状態の検査を自動化する一方で、コストダウンを図ることができるシート層の検査装置及び検査方法を提供することができる。

図１は、本発明の一実施形態に係るシート層の検査装置の全体構成を示すブロック図である。 図２（Ａ）～（Ｄ）は、シート層の積層の態様を示す模式図である。 図３は、テープ片の金型への貼り合わせの態様を示す模式図である。 図４は、シート層の形状認識のための、レーザスリット光によるスキャンの態様を示す模式図である。 図５（Ａ）、（Ｂ）は、レーザスリット光によって検知される二次元形状と、レーザセンサの一データとの関連付けを示す模式図である。 図６（Ａ）は、シートの１層目の形状を差分データにより求める例を、図６（Ｂ）はシート層の２層目の形状を差分データにより求める例を各々示す図である。 図７（Ａ）は、複数の面に跨がってシート層が設けられる例を示す斜視図、図７（Ｂ）はその側面図、図７（Ｃ）～（Ｅ）は、各面のスキャンの態様を示す図である。 図８（Ａ）～（Ｅ）は、金型上へのテープの貼り付け不具合の具体例を列挙する図である。 図９は、多関節ロボットにテープ貼りヘッドと、レーザセンサとを搭載する例を示す模式図である。 図１０（Ａ）は、金型に斜めにテープが貼られる例を示す図、図１０（Ｂ）は、テープ貼り角度の不具合を示す図である。

［検査装置の全体構成］
以下、図面に基づいて、本発明の実施形態について詳細に説明する。図１は、本発明の一実施形態に係るシート層の検査装置１の全体構成を示すブロック図である。検査装置１は、多関節ロボット２Ａ（移動機構）及びレーザセンサ３を含むスキャン装置Ｓと、ワーク回転機構４（支持機構）と、これらの動作を制御すると共に所要の演算処理を行うコントローラ５とを含む。検査装置１は、ベース基材としての金型６（積層型）上に積層されるワークＷを構成するシート層を検査する装置である。

スキャン装置Ｓは、金型６上に形成されたワークＷの三次元形状認識のために、当該ワークＷを光学的にスキャンする装置である。レーザセンサ３は、レーザスリット光３Ｒを用いて、光切断法によって検査対象物の二次元形状を計測する。レーザセンサ３は、レーザ光源と、当該レーザ光源が発するレーザ光を扇型に広がるレーザスリット光３Ｒに変換して検査対象物に照射する光学部品と、検査対象物からのレーザスリット光３Ｒの反射光を受光する受光部とを備えている。本実施形態では、前記検査対象物は金型６単体、若しくは一層又は複数層のシート層の積層体からなるワークＷが形成された金型６である。

多関節ロボット２Ａは、レーザセンサ３を所定のスキャン方向へ移動させる移動機構である。レーザセンサ３は、多関節ロボット２Ａによって移動されつつ、所定の計測ピッチで検査対象物の二次元形状を計測する。多関節ロボット２Ａには、レーザセンサ３の移動機構以外の他の機能を具備させても良く、例えばワークＷを金型６に形成する機能を具備させたり（図９に例示している）、ワークＷ及び金型６の２Ｄ画像を撮像するカメラを搭載させたりしても良い。

多関節ロボット２Ａは、基台２０と、基台上に立設された複数のロボットアーム２１と、ロボットアーム２１を繋ぐ複数の関節軸２２と、ロボットアーム２１の先端部に配置される手首部２３とを含む。レーザセンサ３は、多関節ロボット２Ａのアーム先端であるロボット先端部２Ｔに搭載されており、自在に位置変更が可能である。長い距離のスキャンが必要な場合、基台２０を、少なくともＸ方向又はＹ方向のいずれかに移動可能なステージ上に組み付け、多関節ロボット２Ａ自体を移動可能とすることが望ましい。多関節ロボット２Ａとしては、例えば６つの回転軸を備えた汎用の産業用ロボットを用いることができる。

レーザセンサ３の移動機構は、多関節ロボット２Ａに限られない。図１には、前記移動機構の他の例として、直交軸ロボット２Ｂも併記されている。直交軸ロボット２Ｂは、互いに直交する３つの移動軸であるＸ軸フレーム２４Ｘ、Ｙ軸フレーム２４Ｙ及びＺ軸フレーム２４Ｚを備えている。Ｘ軸フレーム２４Ｘは、Ｚ軸フレーム２４ＺをＸ軸方向へ移動可能に支持する。Ｚ軸フレーム２４Ｚは、Ｙ軸フレーム２４ＹをＺ軸方向へ移動可能に支持する。Ｙ軸フレーム２４Ｙは、ロボット先端部２ＴをＹ向へ移動させる。レーザセンサ３は、Ｙ軸フレーム２４Ｙの先端であるロボット先端部２Ｔに搭載されている。このような直交軸ロボット２Ｂを、多関節ロボット２Ａに代替して用いても良い。また、産業用ロボット以外の他の移動機構、例えばボールねじ機構等によって、レーザセンサ３を所定方向へ移動させるように構成しても良い。

ワーク回転機構４は、ワークＷが形成される金型６の姿勢を変更するための機構である。ワーク回転機構４は、ワーク保持部４１及び駆動モータ４２を含む。ワーク保持部４１は、金型６を軸回りに回転自在に支持する回転軸と、回転駆動力の入力部とを含む。駆動モータ４２は、前記入力部に回転駆動力を与え、金型６を軸回りに回転させる。なお、金型６を回転させる必要が無い場合、すなわち、レーザセンサ３と常に対向可能な一の面だけにワークＷが形成されるようなケースでは、ワーク回転機構４を省くことができる。

コントローラ５は、スキャン装置Ｓ及びワーク回転機構４と電気的に接続されている。また、コントローラ５には、モニター１１及びデータサーバ１２が接続されている。モニター１１は、検査装置１に関する各種の表示を行うためのディスプレイであり、本実施形態では、ワークＷの検査結果等を表示する。データサーバ１２は、検査装置１に関する各種の設定値やデータが格納されている。例えば、金型６やワークＷを構成するテープのサイズに関するデータや、シート層の積層後の金型６の設計値として予め設定された形状データ等が、データサーバ１２に格納される。

コントローラ５は、マイクロコンピュータ等からなり、所定のプログラムが実行されることによって、ロボット制御部５１、センサ制御部５２、ワーク回転制御部５３、第１認識部５４、第２認識部５５、判定部５６及び表示制御部５７を機能的に具備するように動作する。

ロボット制御部５１は、多関節ロボット２Ａ（又は直交軸ロボット２Ｂ）の動作を制御することによって、レーザセンサ３を所要の位置へ移動させる。詳しくは、ロボット制御部５１は、レーザセンサ３をスキャン開始位置から終了位置まで、所定の方向及び速度で移動させる制御を行う。センサ制御部５２は、レーザセンサ３を制御し、金型６及びワークＷの二次元形状を計測させる。具体的にはセンサ制御部５２は、スキャン方向の各計測位置においてレーザセンサ３のレーザ光源を発光させ、レーザスリット光３Ｒを金型６及びワークＷに照射させる。ワーク回転制御部５３は、ワーク回転機構４を制御し、金型６を所要の回転姿勢に姿勢変更させる。

第１認識部５４は、レーザセンサ３により得られた複数の二次元形状データと、前記二次元形状の計測時におけるレーザセンサ３の位置データとを関連付けることにより、金型６及びワークＷの三次元形状データを求める演算を行う。第２認識部５５は、ワークＷを構成するシート層の積層前後の三次元形状データの差分を求めることにより、前記シート層の三次元形状を導出する演算を行う。第１認識部５４及び第２認識部５５の動作については、後記でさらに詳述する。

判定部５６は、第２認識部５５が導出した前記シート層の三次元形状に基づき、当該シート層が正常であるか否かを判定する処理を行う。表示制御部５７は、判定部５６の判定結果を、所定の表示形態でモニター１１に表示させる制御を行う。例えば、表示制御部５７は、前記シート層の積層状態に不具合が検出された場合、その不具合の箇所を色付きで表示する等して、作業者に修正を喚起する。

［シート層の形成について］
既述の通り本実施形態では、金型６上のワークＷは、複数のシート層の積層によって形成される。図２（Ａ）～（Ｄ）は、シート層の積層の態様を示す模式図である。図２（Ａ）は、金型６の側面図（左図）及びその斜視図（右図）である。ここでは、図示簡略化のため、一方向に長い直方体からなる単純な金型６を例示している。

金型６は、前記シート層が積層される表面６１を備えている。表面６１は、ワークＷの形状を形作る面である。例えば、ワークＷが単純な平板状部材ならば、図２（Ａ）に示すように、表面６１は水平面となる。ワークＷが曲面を有する部材であれば、表面６１は、企図する曲面に沿った面形状を有する面となる。このような表面６１を有する金型６をベース基材として、複数のシート層が順次積層される。

図２（Ｂ）は、金型６の表面６１上に第１シート層Ｗ１１が積層された状態を示している。第１シート層Ｗ１１は、例えば、予め所要形状に加工された所定厚さのシート体の表面６１への載置又は貼り付け、或いは、テープ型のシート片の並列的な配置（図３）などによって形成される。前記シート体又はシート片としては、金属、樹脂やゴムからなるシート、ＦＲＰのような樹脂と強化繊維との複合シート等を用いることができる。次段のシート層においては、金型６上に第１シート層Ｗ１１が形成された形成物がベース基材となる。つまり、第１シート層Ｗ１１が、次段のシート層が積層される基礎シート層ＷＢとなる。

図２（Ｃ）は、第１シート層Ｗ１１の上に第２シート層Ｗ１２が積層された状態を示している。第２シート層Ｗ１２の形成の態様は、第１シート層Ｗ１１と同様である。図２（Ｄ）は、第２シート層Ｗ１２の上にさらに第３シート層Ｗ１３が積層された状態を示している。すなわち、第２シート層Ｗ１２を基礎シート層ＷＢとして、第３シート層Ｗ１３が積層されている。次段のシート層の積層においては、この第３シート層Ｗ１３が基礎シート層ＷＢとなる。以降、所要の層数だけ、同様なシート層の積層作業が行われる。

シート層の積層作業が完了し、所定形状のワークＷが金型６上に形成されると、その形成物に対して次段の処理が施される。次段の処理は、例えば、真空処理及び加熱処理である。具体的には、ワークＷが形成された金型６を密封されたバッグで覆って真空引きし、シート層間の空気や揮発物を除去する。次いで、所定の圧力下で加熱処理を行い、ワークＷを構成している複数のシート層を一体化させる。そして、当該ワークＷを金型６から離型させ、所要の成形部品（若しくは複雑形状部品）を得るものである。

図３は、一つのシート層（例えば第１シート層Ｗ１１）の形成例を模式的に示す図である。ここでは、テープロール７０から切り出された複数のテープ片７（シート片）の貼り付けによってシート層が形成される例を示している。テープロール７０は、例えば所定のテープ幅を備えたテープが巻回されたロールである。テープロール７０から繰り出されるテープ７Ａは、貼り付けヘッドに備えられた貼り付けローラ２６によって金型６の表面６１に押し付けられ、当該表面６１に貼り付けられてゆく。

表面６１の一端から他端までテープ７Ａが貼られると、図略のカッターによってテープ７Ａがカットされる。この動作により、表面６１には１パス分のテープ片７が積層されることになる。同様にして、積層済みのテープ片７の側方に隣接して、次の１パス分のテープ片７が積層される。このような作業によって、表面６１上には、複数のテープ片７が並列的に配置されることで形成された第１シート層Ｗ１１が積層される。なお、テープロール７０及び貼り付けローラ２６を複数並列的に配置し、複数のテープ片７を同時に表面６１へ貼り付けることもできる。第１シート層Ｗ１１上に積層される第２シート層Ｗ１２、第３シート層Ｗ１３も同様に、テープ片７の並列配置によって形成することができる。

ここで、各シート層Ｗ１１、Ｗ１２、Ｗ１３が規定通りに積層されているか否かが、ワークＷの品質保持のために肝要となる。とりわけ、図３に例示したように、複数のテープ片７の並列配置で１つのシート層が形成される場合、テープ片７間の重なりやギャップ等が発生することがある。従って、シート層Ｗ１１、Ｗ１２、Ｗ１３の積層の毎に、当該シート層の積層状態を検査し、不具合が検出された場合にはそのシート層に修整を加える必要がある。

図４は、第１シート層Ｗ１１（ワークＷ）の検査のために、第１シート層Ｗ１１及び金型６の形状認識動作が行われている状態を示す図である。ロボットアーム２１の先端であるロボット先端部２Ｔに取り付けられたレーザセンサ３から、レーザスリット光３Ｒが放射されている。レーザスリット光３Ｒは、第１シート層Ｗ１１の全幅に亘って照射されている。ロボット制御部５１は、ロボット先端部２Ｔを図中の走査方向Ｆに移動させる。これに伴い、レーザセンサ３も走査方向Ｆに移動し、レーザスリット光３Ｒによって第１シート層Ｗ１１がスキャンされる。このスキャンの際に、光切断法によって所定のピッチで第１シート層Ｗ１１の二次元形状が計測される。そして、取得された複数の二次元形状データを繋ぎ合わせることで、第１シート層Ｗ１１の三次元形状が求められる。

従来、シート層の積層状態の評価は、当該シート層の三次元形状データのみに基づいて評価されていた。例えば、第１シート層Ｗ１１の検査を行う場合、図４に示す手法で取得された、第１シート層Ｗ１１が積層された金型６の三次元形状の認識結果のみに基づいて評価が為されていた。この場合、微少な凹凸の検知等のために、高精度な三次元形状の認識が必要となる。従って、レーザセンサ３としては、高い分解能を備えたものを使用する必要がある。

一般に、高分解能のレーザセンサ３は極めて高価であり、当該レーザセンサ３の適用は、検査装置１のコストアップを招来する。また、高分解能を求めるほど、レーザスリット光３Ｒによる検査幅が狭くなる傾向がある。このため、図４に例示しているように、第１シート層Ｗ１１の全幅を、１回のスキャンで検査できる検査幅を持つような高分解能のレーザセンサ３は上市されていないのが実情である。従って、一つのシート層の検査において複数回のスキャンが必要となり、結果として検査工程のタクトタイムが長くなるという問題が生じる。

このような問題に鑑み、本実施形態では、高い分解能は具備していないものの、広い検査幅を具備する比較的安価なレーザセンサ３を用いる。例えば、分解能が０．０４ｍｍ～１．６ｍｍ程度、好ましくは０．１ｍｍ～１．２ｍｍ程度、レーザスリット光３Ｒによる検査幅が５０ｍｍ～２００ｍｍ程度、好ましくは８０ｍｍ～１６０ｍｍ程度のレーザセンサ３を用いる。そして、このようなレーザセンサ３を用いながらも、シート層の積層状態の評価を的確に行い得る検査方法を提供する。

［差分による形状認識］
本実施形態では、シート層の積層前後の三次元形状データの差分を求めることにより、当該シート層の三次元形状を導出し、評価する。この手法について、図５及び図６を参照して説明する。図５（Ａ）は、図２（Ａ）の状態、つまり、第１シート層Ｗ１１が積層される前の金型６（第１検査対象物）の三次元形状の計測態様を示す図である。レーザセンサ３からレーザスリット光３Ｒが、金型６の表面６１に照射される。金型の長辺方向をＸ方向と定義すると、コントローラ５のロボット制御部５１（図１）は、レーザスリット光３ＲがＸ方向へ移動し、表面６１をスキャンするように多関節ロボット２Ａを制御する。

センサ制御部５２は、レーザセンサ３に、Ｘ方向の各計測点Ｘ＝ｐ１、ｐ２、ｐ３、ｐ４、ｐ５・・・ｐ（ｎ－２）、ｐ（ｎ－１）及びｐｎにおいて、金型６の表面６１の二次元形状データを計測させる。ｐ１～ｐｎ間の各計測ピッチは、例えば０．１ｍｍである。第１認識部５４は、レーザセンサ３が取得した各計測点ｐ１～ｐｎと、各計測点ｐ１～ｐｎにおけるレーザセンサ３の位置データとを関連付けて、金型６の表面６１の三次元形状データ（「第１の三次元形状データ」という）を求める。レーザセンサ３の位置データとしては、ロボット制御部５１によるロボット先端部２Ｔの位置制御データを用いることができる。

図５（Ｂ）は、図２（Ｂ）の状態、つまり、金型６の表面６１上に第１シート層Ｗ１１が積層された後の形成物（第２検査対象物）の三次元形状の計測態様を示す図である。第１シート層Ｗ１１が積層された後、上記と同様の手順で三次元形状データが求められる。すなわち、ロボット制御部５１は、レーザスリット光３Ｒで前記形成物をスキャンするよう、多関節ロボット２Ａを制御する。センサ制御部５２は、レーザセンサ３に、Ｘ方向の各計測点Ｘ＝ｐ１～ｐｎにおいて、第１シート層Ｗ１１を備えた金型６の二次元形状データを計測させる。そして、第１認識部５４は、レーザセンサ３が取得した各計測点ｐ１～ｐｎと、各計測点ｐ１～ｐｎにおけるレーザセンサ３の位置データとを関連付けて、第１シート層Ｗ１１を備えた金型６の三次元形状データ（「第２の三次元形状データ」という）を求める。

第１認識部５４によって、第１の三次元形状データ及び第２の三次元形状データが取得されたならば、第２認識部５５は、これら２つの三次元形状データの差分を取る処理を行う。図６（Ａ）は、１層目のシート層（第１シート層Ｗ１１）に対する、第２認識部５５による前記処理を模式的に示している。左側の形状データ（１）は、計測点Ｘ＝ｐ２における第１の三次元形状データＤ１１を示している。換言すると、第１シート層Ｗ１１が積層される前の、Ｘ＝ｐ２の位置における金型６の形状データである。

一方、形状データ（２）は、計測点Ｘ＝ｐ２における第２の三次元形状データＤ１２を示している。つまり、金型６をベース基材として第１シート層Ｗ１１が積層された後の形成物の、Ｘ＝ｐ２の位置における形状データである。第２の三次元形状データＤ１２は、第１シート層Ｗ１１が積層された分だけ、第１の三次元形状データＤ１１よりも上方へ突出した形状部分ＤＡを含むことになる。

従って、形状データ（１）と形状データ（２）との差分が、第１シート層Ｗ１１の評価データとなる。すなわち、前記差分を取ると、第２の三次元形状データＤ１２における突出した形状部分ＤＡが打ち消されずに残存することになる。この形状部分ＤＡが、金型６に積層された第１シート層Ｗ１１の三次元形状となる。判定部５６は、第２認識部５５が導出した前記三次元形状に基づき、第１シート層Ｗ１１の三次元形状を評価する。換言すると、第１の三次元形状データＤ１１を基準として、第１シート層Ｗ１１の厚さ相当分だけ設計通りに増加しているか否かを、第２の三次元形状データＤ１２に基づき評価するものである。

図６（Ｂ）は、２層目のシート層（第２シート層Ｗ１２）に対する、第２認識部５５による差分処理を模式的に示している。２層目のシート層の積層においては、金型６上に第１シート層Ｗ１１の積層体からなる基礎シート層が形成された形成物がベース基材（第１検査対象物）となる。このため、２層目では、先の計測によって得られた形状データ（２）が、第１の三次元形状データＤ２１となる。

形状データ（３）は、第２シート層Ｗ１２が前記基礎シートの第１シート層Ｗ１１上にさらに積層された後の、計測点Ｘ＝ｐ２における三次元形状データである。当該三次元形状データが、２層目においては第２の三次元形状データＤ２２となる。第２の三次元形状データＤ２２は、第２シート層Ｗ１２がさらに積層された分だけ、第１の三次元形状データＤ２１よりも上方へ突出した形状部分ＤＢを含むことになる。そして、形状データ（２）と形状データ（３）との差分が、第２シート層Ｗ１２の評価データとなる。すなわち、前記差分を取ると、第２の三次元形状データＤ２２における突出した形状部分ＤＢが打ち消されずに残存することになる。この形状部分ＤＢが、第２シート層Ｗ１２の三次元形状となる。判定部５６は、当該三次元形状に基づき、第２シート層Ｗ１２の三次元形状を評価する。以下、第３層、第４層・・・のシート層についても同様である。

判定部５６における判定処理は、比較的簡易なものとなる。一層のシート層の厚さが既知であれば、前記差分に基づいて得られた評価対象のシート層の三次元形状において、一層分の厚さが現れていない箇所は、当該シート層が形成されていないと評価できる。例えば、上記の第２シート層Ｗ１２の三次元形状評価データにおいて、当該第２シート層Ｗ１２の厚さに相当する厚みが現れていない箇所が検出されたとする。その箇所は、例えばテープ片７（図３）の抜けやテープ片７間のギャップ等により、第２シート層Ｗ１２が規定通りに形成されていないということを知見できる。また、二層分以上の厚さが現れている箇所があれば、テープ片７が重なり合う等してシート層が過剰に積層されていると評価できる。

以上のように、シート層の積層前後の差分に基づく評価手法を採用することは、レーザセンサ３の分解能が比較的低いもので足りることを意味する。つまり、積層対象となるシート層（テープ片７）の１層分の厚さを判別できる分解能を持つレーザセンサ３であれば、上記のテープ片７の抜けや重なりを知見することが可能である。例えば、１つのシート層の厚さが０．２ｍｍであるならば、レーザセンサ３としては分解能＝０．１ｍｍ程度のものを使用できる。この程度の分解能のレーザセンサ３は、比較的安価な汎用のレーザセンサとして上市されていることから、スキャン装置Ｓのコストダウンを図ることができる。シート層の存在識別を可能とする一方で、過剰な分解能を求めないという観点より、シート層の１層分の厚さをＴとすると、レーザセンサ３の分解能Ｒは、Ｒ＝０．８Ｔ～０．２Ｔ、好ましくは０．３Ｔ～０．６Ｔの範囲から選択することができる。

図５（Ａ）、（Ｂ）に示した例では、第１の三次元形状データ及び第２の三次元形状データの双方を、実測により求める例を示した。すなわち、レーザセンサ３にて実際に金型６及び第１シート層Ｗ１１をスキャンし、第１認識部５４が各々の三次元形状データを求める例を示した。この手法であれば、第１及び第２の三次元形状データが共に実測によって取得されるので、第２認識部５５は実際の積層状態に応じた両データの差分を求めることができる。

これに代えて、第１及び第２の三次元形状データのうちの一方を、実測値ではなく、設計値として予め設定された形状データを用いるようにしても良い。例えば、金型６の三次元形状が既知であれば、その三次元形状データを予めデータサーバ１２（図１）に格納しておく。そして、当該三次元形状データを、第２認識部５５が差分を取る処理を行う際に、第１の三次元形状データとしてデータサーバ１２から読み出すようにプログラミングしても良い。あるいは、第１シート層Ｗ１１の三次元形状が既知であれば、その三次元形状データを予めデータサーバ１２に格納しておく。そして、金型６の三次元形状を実測して第１の三次元形状データを取得する一方で、第２の三次元形状データとしては、第１シート層Ｗ１１の三次元形状データをデータサーバ１２から読み出すようにしても良い。この手法によれば、第１及び第２の三次元形状データの一方をデータサーバ１２から取得するので、スキャン装置Ｓによるスキャン時間を短縮することができる利点がある。

［複数の面に跨がるシート層の場合］
また、図５（Ａ）、（Ｂ）に示した例では、金型６の一つの表面６１だけに第１シート層Ｗ１１が形成される例を示した。シート層は、複数の平面及び曲面に跨がって形成されるものであっても良い。図７（Ａ）は、金型６０の複数の面に跨がってシート層ＷＲが設けられる例を示す斜視図である。金型６０は、第１表面６２と、当該第１表面６２と直交する第２表面６３（面方向が異なる第２表面）と、これらの間に位置する曲面部６４とを含む。シート層ＷＲは、第１表面６２から第２表面６３に跨がって形成されている。

図７（Ｂ）は、シート層ＷＲの積層前の状態と、積層後の状態とを示す金型６０の側面図である。このようなシート層の積層態様であっても、図５（Ａ）、（Ｂ）に示した例と同様にして、シート層ＷＲの積層前の第１の三次元形状データと、シート層ＷＲの積層後の第２の三次元形状データとが取得される。但し、１回のスキャンでは、第１表面６２、第２表面６３及び曲面部６４の全ての三次元形状データを取得できないので、各面に対して各々スキャンを実行する。この際、ワーク回転制御部５３（図１）がワーク回転機構４（駆動モータ４２）を制御して、金型６０を回転させ、各々の面のスキャンに適した姿勢に金型６０を姿勢変更させる。

図７（Ｃ）～（Ｅ）は、各面のスキャンの態様を示す図である。図７（Ｃ）は、第１表面６２がレーザスリット光３Ｒにてスキャンされている様子を示す図である。この際、ワーク回転機構４は、レーザスリット光３Ｒが第１表面６２に正対方向から照射される姿勢で、金型６０を支持している。図７（Ｄ）は、曲面部６４がレーザスリット光３Ｒにてスキャンされている様子を示している。曲面部６４は、互いに直交する第１表面６２及び第２表面６３の交差部分に位置する曲面である。このため、ワーク回転機構４は、図７（Ｃ）の姿勢から金型６０を反時計方向に回転させ、曲面部６４へレーザスリット光３Ｒが正対方向から照射される姿勢で、金型６０を支持している。図７（Ｅ）は、第２表面６３がレーザスリット光３Ｒにてスキャンされている様子を示している。ワーク回転機構４は、図７（Ｄ）の姿勢から金型６０をさらに反時計方向に回転させ、第２表面６３へレーザスリット光３Ｒが正対方向から照射される姿勢で、金型６０を支持している。

この場合、第１認識部５４は、シート層ＷＲの積層前に、金型６０の第１表面６２、第２表面６３及び曲面部６４の三次元形状データを各スキャンで取得し、これらを合成して第１の三次元形状データを求める。そして、シート層ＷＲが積層された後に、金型６０の第１表面６２、第２表面６３及び曲面部６４の三次元形状データを各スキャンで取得し、これらを合成して第２の三次元形状データを求める。第２認識部５５は、前記第１の三次元形状データと前記第２の三次元形状データとの差分を求めることにより、シート層ＷＲの三次元形状を導出する。

［シート層の不具合の例］
図３に例示したように、１つのシート層は、所定幅のテープ片７を金型６の表面６１に貼り詰めることによって形成される。隣接するテープ片７の端縁同士が隙間無く、且つ、重なり合うこと無く配置されていれば、そのシート層は他の問題が無ければ設計通りのシート層となる。これに対し、テープ片７の表面６１の貼り具合に不備があれば、そのシート層は不具合を備えたシート層となる。

図８（Ａ）～（Ｅ）は、金型６へのテープ片７の貼り付け不具合の具体例を列挙する図である。図８（Ａ）は、テープ抜け及びテープ間ギャップの不具合を例示している。図８（Ａ）の左図は、何らかの不具合で、１パス分のテープ片７が貼られなかったことに起因して、テープ抜け部分Ｍ１が生じている例を示している。右図は、１パス中において、テープ片７１の終端縁とテープ片７２の始端縁との間にギャップＭ２１が生じている例と、隣接するテープ片７の側端縁の間にギャップＭ２２が生じている例とを示している。

このような不具合のあるシート層について、第２認識部５５が三次元形状を導出すると、テープ抜け部分Ｍ１、ギャップＭ２１及びＭ２２に相当する部分にシート厚さが存在しない三次元形状となる。判定部５６は、本来ならばシート厚さが存在する部分にシート厚さが検出されていないことを根拠に、当該シート層に不具合が有ると判定する。また、表示制御部５７は、テープ抜け部分Ｍ１、ギャップＭ２１及びＭ２２に相当する部分を色分けしてモニター１１に当該シート層の画像を表示する等して、作業者に修整を促す。

図８（Ｂ）は、テープ重なりの不具合を示している。テープ片７５１の端部が、直線状に貼られたテープ片７３の上に重なることで、重なり部Ｍ３１が形成されている。また、テープ片７５２の端部が、並列に並ぶテープ片７３、７４の双方に重なることで、重なり部Ｍ３２が形成されている。さらに、テープ片７５３、７５４が、テープ片７３、７４の上で多重に重なることで、重なり部Ｍ３３が形成されている。このような不具合のあるシートの三次元形状が導出された場合、重なり部Ｍ３１、Ｍ３２については、本来ならばテープ片７３、７４の１層分のテープ厚さが存在する部分に、テープ片７５１、７５２の厚みが重畳された２層分のテープ厚さが検出される。また、重なり部Ｍ３３については、２層分のテープ厚さの部分と、３層分のテープ厚さの部分とが検出されることになる。

図８（Ｃ）は、テープ剥がれ、テープ浮きの不具合を示している。図８（Ｃ）の左図は、テープ片７の端部７Ｅが金型６の表面６１から浮き上がることで生じた浮き部Ｍ４１を例示している。右図は、テープ片７の中間部分が表面６１から浮き上がることで生じた浮き部Ｍ４２を、各々示している。このような浮き部Ｍ４１、Ｍ４２が生じている箇所も、第２認識部５５が導出するシート層の三次元形状において、本来のテープ片７の１層分の厚さよりも過剰な厚みが存在する部分として検出される。

図８（Ｄ）は、テープ捻れの不具合を示している。図８（Ｄ）の左図は、テープ片７に１回の捻れが生じている捻れ部Ｍ５１を、右図は、テープ片７に２回の捻れが生じている捻れ部Ｍ５２を例示している。捻れ部Ｍ５１、Ｍ５２においては、テープ片７に立ち上がりが生じることになる。また、図８（Ｅ）は、テープ片７の端部７Ｅが折り返されることによって生じた折れ部Ｍ６を例示している。このような捻れ部Ｍ５１、Ｍ５２又は折れ部Ｍ６が生じている箇所も、第２認識部５５が導出するシート層の三次元形状において、本来のテープ片７の１層分の厚さよりも過剰な厚みが存在する部分として検出される。

［多関節ロボットの好ましい使用例］
多関節ロボット２Ａには、多様な作業を実行させることが可能である。図１では、レーザセンサ３を移動させる機構としての多関節ロボット２Ａの使用を例示しているが、テープ片７を金型６に貼り付ける作業（シート層をベース基材に形成する作業）を兼用させても良い。図９は、多関節ロボット２Ａにテープ貼りヘッドＴＨと、レーザセンサ３とを搭載する例を示す模式図である。

多関節ロボット２Ａは、ロボットアーム２１と、６つの関節軸Ｊ１、Ｊ２、Ｊ３、Ｊ４、Ｊ５、Ｊ６を備えた６軸ロボットである。多関節ロボット２Ａは、Ｘ方向に移動可能な基台２０上に載置固定されている。基台２０には、長尺テープ７Ａの巻回体であるテープロール７０を複数本収容しているテープサプライ７Ｓが搭載されている。

ロボット先端部２Ｔには、先端装着具２５が取り付けられている。先端装着具２５は、６つの関節軸Ｊ１～Ｊ６の動作によって、ＸＹＺ方向への移動及びピッチ、ロー、ヨー軸周りの回転が自在である。この先端装着具２５に、テープ貼りヘッドＴＨ及びレーザセンサ３が取り付けられている。テープサプライ７Ｓは、長尺テープ７Ａをテープ貼りヘッドＴＨへ供給する。

テープ貼りヘッドＴＨは、貼り付けローラ２６、ガイドローラ２７及び図略のテープカッターを含む。貼り付けローラ２６は、矢印Ｆ方向（走査方向Ｆ）に回転走行しながら、テープサプライ７Ｓから供給される長尺テープ７Ａを、金型６の表面６１に押し付ける。ガイドローラ２７は、回転駆動力が与えられるローラ対であり、長尺テープ７Ａを貼り付けローラ２６に向けて繰り出す。図略のテープカッターは、表面６１の一端から他端までの１パス分のテープ貼り付け長に対応する長さに長尺テープ７Ａを切断し、１つのテープ片７とする。

レーザセンサ３は、貼り付けローラ２６の進行方向（矢印Ｆ）の後ろ側に取り付けられている。このため、金型６への長尺テープ７Ａの貼り付け作業を貼り付けローラ２６によって行いつつ、当該長尺テープ７Ａの貼り付け状態を直ちに検査することが可能となる。つまり、１パス分のテープ片７の貼り付け後に、当該テープ片７の積層状態を検査することが可能となる。従って、検査時間を短縮することができる。また、直ちにテープ片７の貼り付け不具合を修正させることが可能となる。この場合、テープ片７の貼り付け前の表面６１の三次元形状データと、１パス分のテープ片７の貼り付け後の三次元形状データとの差分に基づき、当該１パス分のテープ片７の積層様態が評価される。

［直交軸ロボットの好ましい使用例］
直交軸ロボット２Ｂには、テープ片７を金型６に貼り付ける作業を兼用させることは難しい。一方、テープ片７の貼り付け毎に検査を行わせる上記の多関節ロボット２Ａの例では、複数のテープ片７の並列貼り付けにより形成される１つのシート層全体を、レーザセンサ３で検査させる態様を取ることは難しい。これに対し、直交軸ロボット２Ｂでは、照射幅の広いレーザスリット光３Ｒを発するレーザセンサ３を用い、１つのシート層分のテープ片７の配置が全て完了した後に、レーザセンサ３を移動させる（スキャンさせる）態様を取り易い。この態様の利点として、テープ片７の傾き角度を判別できる点が挙げられる。

図１０（Ａ）は、ＸＹ座標を定める基準孔を備えた金型６０Ａに、斜めにテープ片７が貼られている例を示す平面図である。テープ片７がＦＲＰである場合、その繊維方向を企図する方向に指向させるため、金型６０Ａの基準ＸＹ方向に対して傾きを持たせて貼り付けが行われる場合がある。テープ片７の傾き角度が所定の指向角からズレていると、ワークＷの品質を低下させ得る。図１０（Ｂ）は、テープ片７の傾き角度の不具合を示す図である。テープ片７の長さＬ（ｍｍ）当たりの傾き角度Ｄ度が、予め定められた閾値角よりも大きい場合は、貼り付け不良となる。

金型６０Ａは、表面６１のテープ片７が貼り付けられる領域外のコーナー部に、４つの基準孔６Ｒ－１、６Ｒ－２、６Ｒ－３及び６Ｒ－４を備えている。これらの基準孔６Ｒ－１～６Ｒ４は、レーザスリット光３Ｒによるスキャンによって、形状認識が可能な孔である。例えば、基準孔６Ｒ－１と６Ｒ－２とを結ぶ直線がＸ方向基準線となり、基準孔６Ｒ－１と６Ｒ－３とを結ぶ直線がＹ方向基準線となる。つまり、基準孔６Ｒ－１～６Ｒ４を含めてスキャンすることで、表面６１におけるＸＹ座標を検査装置１に知見させることができる。そして、当該ＸＹ座標に基づいて、テープ片７の傾き角度を評価することが可能となる。

以上、説明した本実施形態のシート層の検査装置１（検査方法）によれば、シート層の積層後の三次元形状データだけに依存するのではなく、第１の三次元形状データと第２の三次元形状データとの差分に基づき、シート層の三次元形状を評価する。すなわち、第１の三次元形状データを基準として、シート層の一層厚さ相当分だけ設計通りに増加しているか否かを第２の三次元形状データに基づき評価する。従って、スキャン装置Ｓのレーザセンサ３として、分解能が比較的低い安価な汎用のレーザセンサを用いることが可能となる。従って、本実施形態の検査装置１によれば、シート層の積層状態の検査を自動化することができると共に、コストダウンを図ることができる。

１ シート層の検査装置
２Ａ 多関節ロボット（移動機構）
２Ｂ 直交軸ロボット（移動機構）
２Ｔ ロボット先端部
３ レーザセンサ
３Ｒ レーザスリット光
４ ワーク回転機構（支持機構）
５ コントローラ
５４ 第１認識部
５５ 第２認識部
６ 金型（検査対象物／ベース基材／積層型）
６１ 表面
６２ 第１表面
６３ 第２表面
７ テープ片（シート片）
Ｓ スキャン装置
Ｗ ワーク（シート層の積層体）
ＷＢ 基礎シート層
Ｗ１１、Ｗ１２、Ｗ１３ 第１、第２、第３シート層（シート層）

Claims (9)

1. ベース基材上に積層されるシート層を検査する検査装置であって、
   レーザスリット光を用いて検査対象物の二次元形状を計測するレーザセンサと、前記レーザセンサを所定方向に移動させる移動機構とを備えたスキャン装置と、
   前記レーザセンサにより得られた複数の二次元形状データと、前記二次元形状の計測時における前記レーザセンサの位置データとを関連付けることにより、検査対象物の三次元形状データを求める第１認識部と、
   前記ベース基材上にシート層が積層される前の第１検査対象物の三次元形状を示す第１の三次元形状データと、前記ベース基材上に前記シート層が積層された後の第２検査対象物の三次元形状を示す第２の三次元形状データとの差分を求めることにより、前記シート層の三次元形状を導出する第２認識部と、
   前記ベース基材を姿勢変更可能に支持する支持機構と、
   を備えるシート層の検査装置において、
   前記ベース基材は、第１表面と、前記第１表面とは面方向が異なる第２表面とを含み、前記シート層は前記第１表面及び前記第２表面に跨がって積層され、
   前記支持機構は、少なくとも前記レーザスリット光が前記第１表面に照射される姿勢と、前記レーザスリット光が前記第２表面に照射される姿勢との間で姿勢変更可能に、前記ベース基材を支持する、シート層の検査装置。
2. 請求項１に記載のシート層の検査装置において、
   前記第１検査対象物となる前記ベース基材は、シート層が積層される表面を備えた積層型、若しくは、前記積層型上にシート層が一層又は複数層積層された基礎シート層が形成された形成物であり、
   前記第２検査対象物は、前記積層型の前記表面にシート層が形成された形成物、若しくは、前記基礎シート層上にさらにシート層が形成された形成物である、シート層の検査装置。
3. 請求項１又は２に記載のシート層の検査装置において、
   前記第１の三次元形状データ及び前記第２の三次元形状データの双方が、前記スキャン装置及び前記第１認識部による実測で得られたデータである、シート層の検査装置。
4. 請求項１又は２に記載のシート層の検査装置において、
   前記第１の三次元形状データ及び前記第２の三次元形状データのうちの一方が、設計値として予め設定された形状データである、シート層の検査装置。
5. 請求項１～４のいずれか１項に記載のシート層の検査装置において、
   一つの前記シート層は、複数のシート片を前記ベース基材上に並列的に配置して形成されるものであり、
   前記スキャン装置の前記移動機構は、前記複数のシート片の配置が全て完了した後に、前記レーザセンサを移動させる、シート層の検査装置。
6. 請求項１～５のいずれか１項に記載のシート層の検査装置において、
   前記移動機構は、多関節ロボットであって、
   前記レーザセンサは、前記多関節ロボットのロボット先端部に搭載されている、シート層の検査装置。
7. 請求項６に記載のシート層の検査装置において、
   前記多関節ロボットは、前記シート層を前記ベース基材に形成する作業を兼用するロボットである、シート層の検査装置。
8. 請求項１～５のいずれか１項に記載のシート層の検査装置において、
   前記移動機構は、直交軸ロボットであって、
   前記レーザセンサは、前記直交軸ロボットのロボット先端部に搭載されている、シート層の検査装置。
9. 第１表面と、前記第１表面とは面方向が異なる第２表面とを含むベース基材上に積層され、前記第１表面及び前記第２表面に跨がって積層されるシート層を検査する検査方法であって、
   レーザスリット光を用いて検査対象物の二次元形状を計測するレーザセンサを、前記レーザスリット光にて前記第１表面および前記第２表面をスキャンするように移動させ、
   前記レーザセンサにより得られた複数の二次元形状データと、前記二次元形状の計測時における前記レーザセンサの位置データとを関連付けることにより、検査対象物の三次元形状データを求め、
   前記ベース基材上にシート層が積層される前の第１検査対象物の三次元形状を示す第１の三次元形状データと、前記ベース基材上に前記シート層が形成された後の第２検査対象物の三次元形状を示す第２の三次元形状データとの差分を求めることにより、前記シート層の三次元形状を導出する、
   シート層の検査方法。

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