JP2007083388A

JP2007083388A - ロボットハンド用フォークおよびロボットハンド

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Publication number: JP2007083388A
Application number: JP2006226146A
Authority: JP
Inventors: Yoshito Kuroda; 義人黒田
Original assignee: Toray Industries Inc
Current assignee: Toray Industries Inc
Priority date: 2005-08-26
Filing date: 2006-08-23
Publication date: 2007-04-05

Abstract

【課題】高剛性かつ軽量なロボットハンド用フォークを提供する。
【解決手段】繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）層を含み、断面が中空矩形であるロボットハンド用フォークにおいて、前記断面を構成する４面のうち、載荷面に対し略直角をなす２面の厚みが、載荷面と載荷面に対向する面の２面の厚みよりも小さく、かつ、載荷面に対し略直角をなす２面には、前記フォークの長手方向に対して斜めに繊維配向させたＦＲＰ層を含むことを特徴とするロボットハンド用フォーク。
【選択図】図１

Description

本発明は、物品を搬送するために用いられるロボットハンド用フォークに関するものである。さらに詳細には、例えば液晶表示装置やカラーフィルタ等の製造工程においてガラス基板等の薄板を搬送するために好適に用いられるロボットハンド用フォークに関するものである。

液晶表示装置やカラーフィルタ等の製造工程においては、ガラス基板等の基板を加工する際に、ロボットハンドを用いて基板を搬送することが行われている。近年、液晶表示装置の大型化に伴い、製造時に大きなガラス基板を搬送することが要求されており、ロボットハンド用フォークの長尺化が必要となっている。

しかしながら、長尺化されたロボットハンド用フォークに大きなガラス基板が載荷されると、必然的にロボットハンド用フォーク自由端のたわみ量が増加してしまう。さらには長尺化によりロボットハンド用フォーク自身の重量も増加するため、自重によるたわみ量も増加する。ロボットハンド用フォーク自由端のたわみ量が増加すると、ガラス基盤を支持または搬送する際に振動が増大したり、ガラス基盤が落下したり、ガラス基盤収納棚の支持部材と干渉したりするなど、搬送性に支障を与えてしまう。

そこで、ロボットハンド用フォークを高剛性化しつつ軽量化するべく、ＦＲＰが使われるようになってきた。特に、高剛性かつ軽量である炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）が用いられており、曲げ剛性を高めるためにロボットハンド用フォークの長手方向に炭素繊維を配向させる方法が一般的である（特許文献１）。また、成形性の観点からロボットハンド用フォークの長手方向に対して略直交方向に炭素繊維を配向させたり、捻れ剛性の観点からロボットハンド用フォークの長手方向に対して斜めに繊維配向させたりする方法が行われている。

しかしながら、たとえば特許文献１に示されるようにロボットハンド用フォークの長手方向に炭素繊維を配向させる方法は、曲げ剛性の一成分である弾性率を向上させる最大限の方法であるものの、今後さらに大型化するガラス基盤を搬送可能とするため曲げ剛性に対する要求がより厳しくなってきていることや、軽量化や使用環境のスペースの問題からロボットハンド用フォークの高さを大きくすることができない状況に鑑みれば、十分とはいえない。また、より高弾性なＣＦＲＰを用いることもできるがこの場合はコスト高となってしまう。
特開２００２−２９２５９２号公報

本発明は、このような問題に対処し、高剛性かつ軽量なロボットハンド用フォークを提供することをその課題とする。

上記課題を達成するための本発明は、下記（１）〜（５）の構成を特徴とするものである。
（１）断面が中空矩形であるロボットハンド用フォークであって、該中空矩形を構成する４面はそれぞれ一方向性の繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）層を備え、該一方向性のＦＲＰ層のうち使用時における載荷面および該載荷面に対向する面を構成する一方向性のＦＲＰ層（Ａ）は、フォークの長手方向に強化繊維を配向させた層であり、前記載荷面に対し略直角をなす２つの面を構成する一方向性のＦＲＰ層（Ｂ）は、フォークの長手方向に対して斜めに強化繊維を配向させた層を含み、かつ、前記載荷面および該載荷面に対向する面の厚みが、前記載荷面に対し略直角をなす２つの面の厚みよりも大きいことを特徴とするロボットハンド用フォーク。
（２）前記中空矩形を構成する４面の外周および／または内周に織物形態のＦＲＰ層が配置されていることを特徴とする上記（１）に記載のロボットハンド用フォーク。
（３）前記中空矩形を構成する４面の少なくとも１面が、フォークの長手方向に強化繊維を配向させた層を６層以上有し、かつ、該フォークの長手方向に強化繊維を配向させた層の間に織物形態のＦＲＰ層を有していることを特徴とする上記（１）または（２）に記載のロボットハンド用フォーク。
（４）前記一方向性のＦＲＰ層および／または前記織物形態のＦＲＰ層を構成する強化繊維が炭素繊維であることを特徴とする上記（１）〜（３）のいずれかに記載のロボットハンド用フォーク。
（５）上記（１）〜（４）のいずれかに記載のロボットハンド用フォークと、該ロボットハンド用フォークが取り付けられるフレームとを備えていることを特徴とするロボットハンド。

本発明によれば、ＦＲＰ層のうち使用時における載荷面に対し略直角をなす２つの面を構成するＦＲＰ層（Ｂ）の厚みを、載荷面および該載荷面に対向する面を構成するＦＲＰ層（Ａ）の厚みよりも小さくするため、軽量となるうえに、余裕重量の一部を用いてＦＲＰ層（Ａ）の厚みを大きくすることができ、その結果、効率的に曲げ剛性を高めることができる。さらに、ＦＲＰ層（Ａ）はフォークの長手方向に強化繊維を配向させた層で構成する一方、ＦＲＰ層（Ｂ）はフォークの長手方向に対して斜めに強化繊維を配向させた層を含むものとするので、曲げ剛性を高めながらフォーク固定端におけるせん断変形を低減させることができる。すなわち、フォーク自身の重量を増加することもなく、かつ、高価で高剛性なＣＦＲＰを使用することもなく、例えばガラス基板を搭載した際の自由端におけるたわみ量を効率的に低減することができる。

したがって、本発明によるロボットハンド用フォークは、例えば液晶表示装置やカラーフィルタ等の製造工程において、ガラス基板の大型化にともないロボットハンド用フォークが長尺化されても、周辺機器との干渉を回避し、ガラス基板を安全に搬送できるように、ガラス基板を搭載した際の自由端におけるたわみ量を０．１ｍｍ単位で制御することが要求されるようなロボットハンド用フォークに好適である。

本発明のロボットハンド用フォークは、断面が中空矩形であって、この中空矩形を構成する４面がそれぞれ一方向性のＦＲＰ層を備えている。そして、使用時における載荷面に対し略直角をなす２つの面を構成するＦＲＰ層（Ｂ）は、載荷面および載荷面に対向する面を構成するＦＲＰ層（Ａ）よりも厚みが小さい。また、ＦＲＰ層のうち使用時における載荷面および載荷面に対向する面を構成するＦＲＰ層（Ａ）は、フォークの長手方向に強化繊維を配向させた層で構成されており、一方、載荷面に対し略直角をなす２つの面を構成するＦＲＰ層（Ｂ）は、フォークの長手方向に対して斜めに強化繊維を配向させた層を含んでいる。なお、使用時における載荷面とは、ロボットハンド用フォークにガラス基盤等を搭載した際にガラス基盤等を受ける面のことをいう。

ここで、載荷面に対し略直角をなす２つの面はロボットハンド用フォークの曲げ剛性に対する寄与が小さいためその厚みを減らす一方で、載荷面と載荷面に対向する面の厚みについては載荷面に対し略直角をなす２つの面において減らした厚みと同じ重量分だけ増やすことで、ロボットハンド用フォークの重量を増大させることなく、効率的にロボットハンド用フォークの自由端におけるたわみ量を低減することが可能となる。したがって、本発明においては、上述したとおり、載荷面に対し略直角をなす２つの面を構成するＦＲＰ層（Ｂ）を、載荷面および載荷面に対向する面を構成するＦＲＰ層（Ａ）よりも薄くする。

また、厚みを減らした２つの面は、曲げ剛性に対する寄与がさらに小さくなる。そのため、ロボットハンド用フォークの長手方向に繊維配向させるよりも、斜め方向に繊維配向させ、ロボットハンド用フォークの固定端におけるせん断変形を低減させる方が、ロボットハンド用フォークの自由端におけるたわみ量の低減に効果が大きい。したがって、本発明においては、載荷面および載荷面に対向する面を構成するＦＲＰ層（Ａ）は、フォークの長手方向に強化繊維を配向させた層で構成する一方、載荷面に対し略直角をなす２つの面を構成するＦＲＰ層（Ｂ）は、フォークの長手方向に対して斜めに強化繊維を配向させた層を含ませる構成とする。

長手方向に対して斜めに繊維配向させた層としては、せん断剛性の観点から、ロボットハンド用フォークの長手方向に対して略１０〜６０°、より好ましくは略４５°をなす方向に繊維配向させた層と、略−１０〜−６０°、より好ましくは略−４５°をなす方向に繊維を配向させた層とを含むことが好ましい。

また、ロボットハンド用フォークの載荷面に対し略直角をなす２つの面を構成するＦＲＰ層（Ｂ）には、強化繊維を長手方向に配向させたＦＲＰ層も少なくとも１層含ませることが好ましい。なぜならば、ＦＲＰ層（Ｂ）のすべてを斜めに繊維配向させた層で構成した場合、せん断剛性は向上するものの曲げ剛性が低下するため、ロボットハンド用フォークの自由端のたわみ量がかえって増大しやすいためである。

一方、ＦＲＰ層（Ａ）においては、長手方向に強化繊維を配向させた層が合計６層以上積層されるとき、連続した層間での剥離を防止するために、該層間に織物形態のＦＲＰ層を少なくとも１層配置することが好ましい。なお、上述したように強化繊維を長手方向に配向させたＦＲＰ層をＦＲＰ層（Ｂ）に設ける場合も同様で、その積層数が合計６層以上となるのであれば、層間に織物形態のＦＲＰ層を少なくとも１層配置し層間での剥離を防止することが好ましい。

さらに、本発明のロボットハンド用フォークにおいては、穴開け等の後加工時に毛羽立ちを少なくし、かつ、外観の意匠性を高めるため、中空矩形を構成する４面の外周に強化繊維からなる織物形態のＦＲＰ層を配置してもよい。織物としては、後述する強化繊維を平織、朱子織、綾織したものなどが用いられる。

そして、本発明における繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）とは、強化繊維とマトリクス樹脂とを含むものである。

強化繊維としては、炭素繊維、アラミド繊維、高強度ポリエチレン繊維、ガラス繊維、ボロン繊維等の少なくとも１種を用いることができるが、高剛性化および軽量化の観点から炭素繊維であるのが最も好ましい。

マトリクス樹脂としては、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂、フェノール樹脂、ポリイミド樹脂等の熱硬化性樹脂や、ＡＢＳ樹脂、ナイロン樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂、ポリオフィレン樹脂等の熱可塑性樹脂を用いることができる。これらのなかでも、炭素繊維との接着性に優れるエポキシ樹脂や、エポキシ樹脂およびビニルエステル樹脂の組み合わせが好ましい。

上述の本発明のロボットハンド用フォークは、例えば次のようにして製造される。まず、断面が矩形である金属製の芯材に強化繊維のプリプレグを巻き付け、もしくは貼り付けて、その外周面に所定の形状を有する外型を押し付けて加熱加圧したのち、芯材を抜き取ることによって製作することができる。

ここで、芯材を抜き取る際にＦＲＰ層が収縮して抜きにくくなることを防ぐために、中空矩形を構成する４面の内周には強化繊維からなる織物形態のＦＲＰ層を配置してもよい。

図１〜３に示すロボットハンド用フォークに関し有限要素法を用いて本発明の効果を確認した。

なお、図１は、ロボットハンド１の概略斜視図である。また、図２は、該ロボットハンド１に用いるロボットハンド用フォーク２の概略正面図および概略側面図であり、図３は、該ロボットハンド用フォーク２の断面図を示す。

ロボットハンド用フォーク２の長さは、第７世代の大きさのガラス基盤３を搬送できるように３０００ｍｍとし、幅は９０ｍｍ、高さは２５ｍｍとした。

ロボットハンド用フォーク２の固定端には、ロボットハンド１に取り付けるためのアルミニウム合金４を挿入した。

ロボットハンド用フォーク２の載荷面５には、ガラス基盤３を支持するための吸着パッドを取り付ける穴６（３０ｍｍ×３０ｍｍ）を５２０ｍｍ間隔で５つ設けた。

ロボットハンド用フォーク２の各面は複数のＣＦＲＰ層で構成した。表１に、用いたＣＦＲＰの品番等を示し、表２に、それらＣＦＲＰの物性値を示す。織物ＣＦＲＰは、強化繊維として弾性率２３０ＧＰａであるＰＡＮ系炭素繊維を平織形態としたものを使用し、マトリクス樹脂としてエポキシ樹脂を使用したものであった。強化繊維の体積含有率は４７％であった。また、一方向性ＣＦＲＰは、強化繊維として弾性率６４０ＧＰａであるピッチ系炭素繊維を使用し、マトリクス樹脂としてエポキシ樹脂を使用したものであった。強化繊維の体積含有率は５５％であった。

なお、表２で、0゜方向とは一方向性ＣＦＲＰの繊維配向方向のことを、90゜方向とは一方向性ＣＦＲＰの繊維配向方向に略直交する方向のことを表している。

また、ロボットハンド用フォーク２の載荷面５に設けた５つの穴６に、先端から順に0.4kg、0.5kg、0.5kg、0.5kg、0.4kgを負荷し、ロボットハンド用フォーク２に挿入したアルミニウム合金４の変形を拘束した。
（１）比較例：重量の制約上、ロボットハンド用フォーク２の４面の厚みを各々２．９ｍｍとし、曲げ剛性を向上させるため、各面に含まれるすべての一方向性ＣＦＲＰ層の繊維配向方向をロボットハンド用フォーク２の長手方向に揃えた。積層構成を表３に示す。このとき、ロボットハンド用フォーク２の重量は３．７ｋｇ、自由端におけるたわみ量は４．４ｍｍであった。
（２）実施例：比較例と同重量になるように、載荷面５と載荷面５に対向する面７の厚みを３．２ｍｍに増やし、載荷面５に対し略直角をなす２面８の厚みは１．３ｍｍに減らした。さらに、載荷面５に対し略直角をなす２つの面８の厚み１．３ｍｍのうち、０．６ｍｍを長手方向に対して略±４５度となるように繊維配向させた。積層構成を表３に示す。このとき、自由端におけるたわみ量は４．１ｍｍとなり、比較例に比べると、重量増加させることなく０．３ｍｍ低減させることができた。

本発明の一実施形態を示すロボットハンドの概略斜視図である。本発明の一実施形態を示すロボットハンド用フォークの概略正面図および概略側面図である。本発明の一実施形態を示すロボットハンド用フォークの概略断面図である。

符号の説明

１ロボットハンド
２ロボットハンド用フォーク
３基板
４アルミニウム合金
５載荷面
６吸着パッド取り付け穴
７載荷面に対向する面
８載荷面に対し略直角をなす面

Claims

断面が中空矩形であるロボットハンド用フォークであって、該中空矩形を構成する４面はそれぞれ一方向性の繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）層を備え、該一方向性のＦＲＰ層のうち使用時における載荷面および該載荷面に対向する面を構成する一方向性のＦＲＰ層（Ａ）は、フォークの長手方向に強化繊維を配向させた層であり、前記載荷面に対し略直角をなす２つの面を構成する一方向性のＦＲＰ層（Ｂ）は、フォークの長手方向に対して斜めに強化繊維を配向させた層を含み、かつ、前記載荷面および該載荷面に対向する面の厚みが、前記載荷面に対し略直角をなす２つの面の厚みよりも大きいことを特徴とするロボットハンド用フォーク。
前記中空矩形を構成する４面の外周および／または内周に織物形態のＦＲＰ層が配置されていることを特徴とする請求項１に記載のロボットハンド用フォーク。
前記中空矩形を構成する４面の少なくとも１面が、フォークの長手方向に強化繊維を配向させた層を６層以上有し、かつ、該フォークの長手方向に強化繊維を配向させた層の間に織物形態のＦＲＰ層を有していることを特徴とする請求項１または２に記載のロボットハンド用フォーク。
前記一方向性のＦＲＰ層および／または前記織物形態のＦＲＰ層を構成する強化繊維が炭素繊維であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のロボットハンド用フォーク。
請求項１〜４のいずれかに記載のロボットハンド用フォークと、該ロボットハンド用フォークが取り付けられるフレームとを備えていることを特徴とするロボットハンド。