(57)【要約】【課題】  ねじり剛性と曲げ剛性を両立する、経済性に優れた多関節ロボット向けアーム部材を提供する。【解決手段】  少なくとも片側に連節部を有する、多関節ロボット用アーム部材であり、少なくとも１つの平らな側面を有する金属製梁部材の前記側面の少なくとも１つに、繊維強化複合材料からなる補強層を、連節部から前記金属製梁部材の長さ方向に沿って配置することを特徴とする、アーム部材である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも片側に連節部を有する多関節ロボット用アーム部材であり、少なくとも１つの平らな面を有する金属製梁部材の側面に、繊維強化複合材料からなる補強層を連節部から前記金属製梁部材の長さ方向に沿って配置することを特徴とするアーム部材。
【請求項２】
両側に連節部を有する請求項１に記載のアーム部材。
【請求項３】
前記金属製梁部材が多角形断面を有する請求項１または２に記載のアーム部材。
【請求項４】
前記金属製梁部材が矩形断面を有する請求項３に記載のアーム部材。
【請求項５】
前記金属製梁部材が中空断面を有する請求項１から４のいずれかに記載のアーム部材。
【請求項６】
前記補強層が金属製梁断面の角を避けて配置される請求項１から５のいずれかに記載のアーム部材。
【請求項７】
前記多角形断面が中空断面である多角形中空断面であり、前記多角形中空断面の内辺ｉの長さａｉと、内辺ｉに向かい合う外辺と接合した補強層の長さｂｉが、０．５ａｉ≦ｂｉ≦ａｉの関係にある請求項５または６に記載のアーム部材。
【請求項８】
前記補強層が少なくとも２つの側面に配置される請求項１から７のいずれかに記載のアーム部材。
【請求項９】
前記補強層が幅方向の端部に向けて徐々に厚みが減少するテーパ部を有する請求項１から８のいずれかに記載のアーム部材。
【請求項１０】
前記繊維強化複合材料の強化繊維が炭素繊維であり、前記炭素繊維の配向が金属製梁部材の長手方向に揃えられている請求項１から９のいずれかに記載のアーム部材。
【請求項１１】
前記金属製梁部材が、少なくとも２つの金属製梁構成材を組み合わせた複合梁部材からなる請求項１から１０のいずれかに記載のアーム部材。
【請求項１２】
請求項１から１１のいずれかに記載の多関節ロボット用アーム部材の製造方法であって、所定寸法にカットしたプリプレグを梁部材上に積層した複合体をプリプレグの硬化雰囲気に暴露し、プリプレグを硬化して補強層とする工程と、金属製梁部材と補強層とを接着する工程を同時に行うことを特徴とするアーム部材の製造方法。
【請求項１３】
請求項１から１１のいずれかに記載の多関節ロボット用アーム部材の製造方法であって、あらかじめ硬化したプリプレグからなる補強層を金属製梁部材に接着して一体化することを特徴とするアーム部材の製造方法。
【請求項１４】
請求項１から１１のいずれかに記載の多関節ロボット用アーム部材の製造方法であって、補強層となる熱可塑ＵＤテープを、前記熱可塑ＵＤテープのマトリックスが溶融状態になるまで加熱した後に、金属製梁部材上に溶着することを特徴とするアーム部材の製造方法。
【請求項１５】
請求項１から１１のいずれかに記載のアーム部材に用いられるアーム部材用繊維強化複合材料。
【請求項１６】
前記アーム部材用繊維強化複合材料がプリプレグである請求項１５に記載のアーム部材用繊維強化複合材料。
【請求項１７】
前記アーム部材用繊維強化複合材料が熱可塑ＵＤテープである請求項１５に記載のアーム部材用繊維強化複合材料。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、少なくとも片側に連節部を有する、多関節ロボット用アーム部材用繊維強化複合材料、アーム部材およびアーム部材の製造方法に関するものであり、特に、金属製梁部材に繊維強化複合材料の補強層を配置し、曲げ剛性とねじり剛性に優れたアーム部材に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、溶接やワークハンドリング等を行う多関節ロボットにおいて、少なくとも片側に連節部を有するアーム部材には、十分な曲げ剛性とねじり剛性が求められている。一方、ロボットの基端部分にはより先端側の自重が付加されるため、慣性モーメントが大きくなりロボットの高速化や小型化を阻害する一因となっている。つまり、アーム用のフレームには、高い曲げ剛性とねじり剛性を有するとともにより軽量な材料が求められている。
【０００３】
一般に、ロボットのフレームには、鉄やステンレス、アルミニウムなどの金属材による成形加工品が用いられているが、近年、低コスト化と共に更なる高速化や高精度化のために、先端側のフレームには特に格段の小形軽量化が求められ、フレーム用の材料として比較的安価で高強度で剛性も高くさらに比重が小さい繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）を適用する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
ところで、繊維強化プラスチックは強化繊維の配向に応じた方向性（繊維方向）を有しており、曲げ応力など繊維方向に対して垂直な力に対しては大きな強度を有するが、ねじり荷重により発生するせん断力等、繊維方向と平行な力に対しては強度が小さいという特徴がある。
【０００５】
この繊維強化プラスチックをロボットのフレームに適用する際には、様々な方向の曲げ応力やねじり方向の応力に対して十分な強度を得るために、フレームに使用する繊維強化プラスチックの繊維方向を少なくともフレームの０°（軸方向）と９０°（軸に直交する方向）の２方向（場合によっては０°、４５°、９０°などの３方向）に交互に配向させながら積層成形して製造する技術が提案されている（例えば、特許文献２参照）。この技術によれば、種々の方向への曲げ応力やねじり応力に対して十分な強度や剛性を確保することができるが、金属材料に比べ材料費が高い、成形工程が複雑で生産性が低下するなどの経済性の観点から、実用化された例は限定的であった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−５５９３６号公報
【特許文献２】特開２００２−２９２５９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、ねじり剛性と曲げ剛性を両立する、経済性に優れた多関節ロボット向けアーム部材を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討した結果、以下の構成からなるアーム部材、およびアーム部材の製造方法を見出し、本発明を完成させるに至った。すなわち本発明は、以下の構成からなる。
（１）少なくとも片側に連節部を有する多関節ロボット用アーム部材であり、少なくとも１つの平らな面を有する金属製梁部材の側面に、繊維強化複合材料からなる補強層を連節部から前記金属製梁部材の長さ方向に沿って配置することを特徴とするアーム部材。
（２）両側に連節部を有する（１）に記載のアーム部材。
（３）前記金属製梁部材が多角形断面を有する（１）または（２）に記載のアーム部材。
（４）金属製梁部材が矩形断面を有する（３）に記載のアーム部材。
（５）金属製梁部材が中空断面を有する（１）から（４）のいずれかに記載のアーム部材。
（６）前記補強層が金属製梁断面の角を避けて配置される（１）から（５）のいずれかに記載のアーム部材。
（７）前記多角形断面が中空断面である多角形中空断面であり、前記多角形中空断面の内辺ｉの長さａｉと、内辺ｉに向かい合う外辺と接合した補強層の長さｂｉが、０．５ａｉ≦ｂｉ≦ａｉの関係にある（５）または（６）に記載のアーム部材。
（８）前記補強層が少なくとも２つの側面に配置される（１）から（７）のいずれかに記載のアーム部材。
（９）前記補強層が幅方向の端部に向けて徐々に厚さが減少するテーパ部を有する（１）から（８）のいずれかに記載のアーム部材。
（１０）前記繊維強化複合材料の強化繊維が炭素繊維であり、前記炭素繊維の配向が金属製梁部材の長手方向に揃えられている（１）から（９）のいずれかに記載のアーム部材。
（１１）前記金属製梁部材が、少なくとも２つの金属製梁構成材を組み合わせた複合梁部材からなる（１）から（１０）のいずれかに記載のアーム部材。
（１２）（１）から（１１）のいずれかに記載の多関節ロボット用アーム部材の製造方法であって、所定寸法にカットしたプリプレグを梁部材上に積層した複合体をプリプレグの硬化雰囲気に暴露し、プリプレグを硬化して補強層とする工程と、金属製梁部材と繊維強化複合材料を接着する工程を同時に行うことを特徴とするアーム部材の製造方法。
（１３）（１）から（１１）のいずれかに記載の多関節ロボット用アーム部材の製造方法であって、あらかじめ硬化したプリプレグからなる補強層を金属製梁部材に接着して一体化することを特徴とするアーム部材の製造方法。
（１４）（１）から（１１）のいずれかに記載の多関節ロボット用アーム部材の製造方法であって、補強層となる熱可塑ＵＤテープを、前記熱可塑ＵＤテープのマトリックスが溶融状態になるまで加熱した後に、金属製梁部材上に溶着することを特徴とするアーム部材の製造方法。
（１５）（１）から（１１）のいずれかに記載のアーム部材に用いられるアーム部材用繊維強化複合材料。
（１６）前記アーム部材用繊維強化複合材料がプリプレグである（１５）に記載のアーム部材用繊維強化複合材料。
（１７）前記アーム部材用繊維強化複合材料が熱可塑ＵＤテープである（１５）に記載のアーム部材用繊維強化複合材料。
【発明の効果】
【０００９】
本発明は、ねじり剛性と曲げ剛性を両立する、経済性に優れた多関節ロボット向けアーム部材を提供する。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、本発明に係るアーム部材の一例を示す斜視図（ａ）および断面図（ｂ）である。
【図２】図２は、本発明に係るアーム部材の一例を示す断面図である。
【図３】図３は、本発明に係るアーム部材の一例を示す断面図である。
【図４】図４は、本発明に係るアーム部材の一例を示す断面図である。
【図５】図５は、本発明に係るアーム部材の一例を示す断面図である。
【図６】図６は、本発明に係るアーム部材の一例を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、さらに詳しく、本発明のアーム部材およびアーム部材の製造方法を実施するための形態について説明する。
【００１２】
本発明は、少なくとも片側に連節部を有する多関節ロボット用アーム部材であり、少なくとも１つの平らな面を有する金属製梁部材の前記側面に、繊維強化複合材料からなる補強層を連節部から前記金属製梁部材の長さ方向に沿って配置することを特徴とするものである。
【００１３】
図１は、本発明のアーム部材の一例を示す斜視図（ａ）および断面図（ｂ）である。図１に示すように、本発明の一例のアーム部材１は、矩形中空構造の金属製梁部材２、補強層３、連節部４から構成されている。連節部４は、他の部材との接合構造を有し、駆動用の電動機が含まれる場合もある。
【００１４】
本発明者らの知見によれば、かかる範囲を全て満たすものは、多関節ロボット用アーム部材に要求される、曲げ剛性とねじり剛性を両立し、金属材料から製造されたアーム部材に比べ軽量であり、繊維強化複合材料単体から製造されたアーム部材に比べ安価である。また、金属製梁部材の平らな側面に補強層を配置することで、繊維強化複合材料の積層工程を簡易にするだけでなく、シワの発生を防ぎ、外観に優れる。
【００１５】
本発明は、多関節ロボットの、両側に連節部を有するアームと、片側のみに連節部を有するアームのどちらにも用いることができるが、要求される曲げ剛性とねじり剛性のより高い両側に連節部を有するアームに、好ましく用いられる。
【００１６】
本発明で使用するアーム部材用繊維強化複合材料の各構成要素について説明する。
【００１７】
本発明で使用するアーム部材用繊維強化複合材料は、例えば、プリプレグまたは熱可塑ＵＤ（Ｕｎｉ  Ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ）テープが挙げられる。プリプレグはアーム部材の曲げ剛性の観点から好ましい。
【００１８】
プリプレグは、特に限定されるものではなく、強化繊維や強化繊維製の布地を、平板型の金型内に繊維束を並べるか繊維布を敷くなどしてから、熱硬化性樹脂を染み込ませてプレスすることで、プリプレグを容易に作成することができる。
【００１９】
プリプレグを構成する熱硬化性樹脂は、熱により架橋反応が進行して、少なくとも部分的に三次元架橋構造を形成する樹脂であれば特に限定されない。かかる熱硬化性樹脂としては、例えば、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、ベンゾオキサジン樹脂、フェノール樹脂、尿素樹脂、メラミン樹脂および熱硬化性ポリイミド樹脂等が挙げられ、これらの変性体および２種類以上ブレンドした樹脂なども用いることができる。また、これらの熱硬化性樹脂は、加熱により自己硬化するものであっても良いし、硬化剤や硬化促進剤などを配合するものであっても良い。
【００２０】
これらの熱硬化性樹脂の中でも、エポキシ樹脂が、機械特性のバランスに優れ、硬化収縮が小さいという観点から、好ましい。
【００２１】
熱可塑ＵＤテープは、特に限定されるものではないが、熱硬化性樹脂を用いる代わりに熱可塑性樹脂を用いること以外は上記のプリプレグと同様にして、熱可塑ＵＤテープを容易に作成することができる。
【００２２】
熱可塑ＵＤテープを構成する熱可塑性樹脂としては、例えば、ポリエチレン（ＰＥ）樹脂、ポリプロピレン（ＰＰ）樹脂等のポリオレフィン系樹脂や、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）樹脂、ポリアミド（ＰＡ）樹脂、ポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）樹脂等や、これらの共重合樹脂や変性樹脂、またアロイ等が挙げられる。中でも、得られる成形品の軽量性の観点からはポリプロピレン系樹脂が好ましく、力学特性および成形性の観点からはポリアミド系樹脂が好ましい。耐熱性の観点からはポリフェニレンスルフィド樹脂が好ましく用いられる。
【００２３】
次に本発明にかかる補強層の各構成要素について説明する。
【００２４】
本発明にかかる補強層は、アーム部材用繊維強化複合材料を積層・成形することにより得ることができる。
【００２５】
本発明にかかる補強層の積層構成は、例えば、強化繊維を一つの方向に積層した一方向積層、０°、±４５°、９０°を満遍なく含む疑似等方積層、織物積層などが挙げられるが、なかでも強化繊維の配向が金属梁の長さ方向にそろえられた一方向積層が、曲げ剛性の観点から好ましく、金属製梁部材の持つ高いねじり剛性と合わせて、曲げ剛性とねじり剛性の両方に優れたアーム部材を得られるため、好ましい。
【００２６】
本発明にかかる補強層は、金属製梁部材の角を避けて配置することで、補強層を平板状の成形板から切断して準備し、作業工程を簡易にすることができるため、好ましい。
【００２７】
本発明にかかる補強層の寸法として、前記多角形断面が中空断面である多角形中空断面であり、前記多角形中空断面の内辺ｉの長さａｉ（ｍｍ）と、内辺ｉに向かい合う外辺と接合した補強層の長さｂｉ（ｍｍ）が、０．５ａｉ≦ｂｉ≦ａｉの関係にあることが好ましい。補強層のｂｉ（ｍｍ）を、内辺ｉのａｉ（ｍｍ）以下とすることで、もともと剛性に優れる金属製梁部材の角周辺の補剛を省略し、軽量性に優れるため好ましい。また、補強層のｂｉ（ｍｍ）を、内辺ｉのａｉ（ｍｍ）の半分の長さの０．５×ａｉ（ｍｍ）以上とすることで、曲げ剛性やねじり剛性の観点から好ましい。
【００２８】
上記好ましい内辺ｉのａｉ（ｍｍ）と補強層のｂｉ（ｍｍ）の関係を、本発明のアーム部材の一例を示す断面図の図２で説明する。図２に示すように、本発明の一例のアーム部材５は、矩形中空断面の内辺ｉ（ｉ＝１，２，３，４）の長さａｉ（添え字ｉ＝１，２，３，４）が、内辺と向かい合う補強層の長さｂｉ（添え字ｉ＝１，２，３，４）と、それぞれ０．５ａｉ≦ｂｉ≦ａｉ（添え字のｉ＝１，２，３，４）の関係を満たすことをいう。
【００２９】
本発明にかかる補強層は、金属製梁部材の少なくとも２つ以上の側面に配置されることが好ましい。例えば、矩形断面の上側面と下側面にのみ配置することで、断面の鉛直方向の曲げ剛性を飛躍的に高めることができるため、好ましい。さらに、矩形断面の上下左右の４側面に補強層を配置することで、断面の鉛直方向に加え、水平方向の曲げ剛性を高めることができるため、より好ましい。
【００３０】
本発明にかかる補強層は、幅方向の端部に近づくにつれて、徐々に厚みが低下する、テーパ部を有すると、長期間使用しても、補強層の剥がれなく、好ましい。
【００３１】
本発明にかかるアーム部材用繊維強化複合材料の改質を目的として、上述した樹脂以外の熱硬化性樹脂、エラストマー、フィラー、ゴム粒子、熱可塑性樹脂粒子、無機粒子およびその他の添加剤を配合することもできる。
【００３２】
本発明にかかるアーム部材用繊維強化複合材料は、導電性を向上させる目的で、導電性フィラーを混合して用いることも好ましい。このような導電性フィラーとしては、カーボンブラック、カーボンナノチューブ、気相成長法炭素繊維（ＶＧＣＦ）、フラーレン、金属ナノ粒子、カーボン粒子、金属めっきした先に例示した熱可塑性樹脂の粒子、金属めっきした先に例示した熱硬化性樹脂の粒子などが挙げられ、単独で使用しても併用してもよい。なかでも安価で効果の高いカーボンブラック、カーボン粒子が好ましく用いられ、かかるカーボンブラックとしては、例えば、ファーネスブラック、アセチレンブラック、サーマルブラック、チャンネルブラック、ケッチェンブラックなどを使用することができ、これらを２種類以上ブレンドしたカーボンブラックも好適に用いられる。また、かかるカーボン粒子として“ベルパール（登録商標）”Ｃ−６００、Ｃ−８００、Ｃ−２０００（鐘紡（株）製）、“ＮＩＣＡＢＥＡＤＳ（登録商標）”ＩＣＢ、ＰＣ、ＭＣ（日本カーボン（株）製）などが具体的に挙げられる。金属めっきした熱硬化性樹脂粒子としてはジビニルベンゼンポリマー粒子にニッケルをメッキし、さらにその上に金をメッキした粒子“ミクロパール（登録商標）”ＡＵ２１５などが具体的に挙げられる。
【００３３】
次に、本発明で使用する強化繊維について説明する。
【００３４】
本発明において使用する強化繊維としては、例えば、有機繊維、アラミド繊維、ガラス繊維、金属繊維および炭素繊維が挙げられる。なかでも、ガラス繊維は経済性の観点から好ましく、炭素繊維は強度と弾性率の観点から好ましい。
【００３５】
また、炭素繊維においても、例えば、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）系、レーヨン系およびピッチ系の炭素繊維が挙げられるが、なかでも、強度と弾性率のバランスに優れたＰＡＮ系炭素繊維が好ましく用いられる。
【００３６】
本発明のアーム部材を構成する、金属製梁部材について説明する。
【００３７】
本発明にかかる金属製梁部材は、補強層を配置するための、少なくとも１つの平らな側面を有することが重要である。曲面形状では、アーム部材用繊維強化複合材料の積層・成形作業が複雑で経済性に劣る、といった問題がある。
【００３８】
金属製梁部材の断面形状としては、例えば、三角形や、矩形といった多角形断面、アングル、チャンネル、Ｉ型、Ｔ型といった開断面、半円、扇形といった曲線を有する断面が挙げられる。多角形断面は曲げ剛性やねじり剛性の観点から好ましく、開断面は配線の取り回しの観点から好ましく、曲線を有する断面は意匠性の観点から好ましい。
【００３９】
金属製梁部材の望ましい多角形断面としては、例えば、経済性の観点からは矩形断面が好ましく、より、曲げ剛性やねじり剛性を高める観点からは、八角形断面が好ましく、経済性と力学特性をバランスさせる観点からは、六角形断面が好ましい。
【００４０】
本発明にかかる金属製梁部材は、例えば、中空断面、中実断面が例示されるが、軽量性の観点から中空断面であることが好ましい。
【００４１】
本発明のアーム部材は、２つ以上の金属製梁構成材を組み合わせた複合梁部材からなる金属製梁部材を用いてもよい。例えば、アングルまたはチャンネルの金属製梁構成材を２つ組み合わせて、矩形断面とする場合が挙げられ、断面の内辺側にも、補強層を比較的容易に配置できる観点から、好ましい。図３に、アングルの金属製梁構成材７を組み合わせた複合梁部材からなる金属製梁部材を用いたアーム部材６の断面図の一例を示す。また、金属製梁構成材は、単体で金属製梁部材として用いることもできる。
【００４２】
本発明のアーム部材は、金属製梁構成材に補強層を配置したアーム構成材を、複数組み合わせた複合アーム部材としてもよい。
【００４３】
金属製梁部材を構成する金属材料は、例えば、アルミ合金、鉄鋼、ステンレス鋼、銅合金、チタンおよびマグネシウム合金が挙げられる。中でも、軽量性の観点からは、アルミ合金が好ましく用いられる。また、２つ以上の金属製梁構成材を組み合わせる場合には、同種の金属を組み合わせることが好ましい。
【００４４】
本発明にかかる補強層の設置方法としては特に制限はないが、例えば、プリプレグを未硬化の状態で、金属製梁部材上に張り付け、プリプレグの硬化と接着を同時に行うコモールド法や、プリプレグまたは熱可塑ＵＤテープをあらかじめ積層・成形した後に、金属製梁部材上に接着剤で張り付けるコボンド法、または、熱可塑ＵＤテープを金属製梁部材上に加熱または振動させながら溶着する溶着法が挙げられるが、コボンド法がシワの発生が抑えられ、好ましい。
【００４５】
図４に溶着法で作製したＣ形断面のアーム部材８の断面図を例示する。熱可塑ＵＤテープの補強層１０を、Ｃ形断面の金属製梁部材９に溶着しているが、補強層がアーム部材の外周に位置しているため、曲げ剛性に優れるといった特徴がある。
【００４６】
図５に溶着法で作製した、補強層１２として熱可塑ＵＤテープを２層積層したＣ形断面アーム部材１１の断面図を例示する。Ｃ形断面の金属製梁部材９の１つの外側面につき２層の熱可塑ＵＤテープを溶着することで、曲げ剛性とねじり剛性に優れるといった特徴がある。
【００４７】
図６に、２つのＣ形断面のアーム構成材を、接合面１６を介して組み合わせた矩形断面のアーム部材１３の断面図を例示する。個別に成形したＣ形断面アーム構成材を組み合わせる前に、内部にコア材等を容易に挿入できるといった特徴がある。図６で図示した矩形断面のアーム部材１３は、図４で図示したＣ形断面アーム部材８を組み合わせたものであるが、この態様に限定されるものではなく、２つのＣ形断面の金属製梁構成材をあらかじめ組み合わせた複合梁部材とした後、補強層１０として熱可塑ＵＤテープを溶着することもできる。
【実施例】
【００４８】
次に、実施例により本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例により制限されるものではない。
【００４９】
＜評価・測定方法＞
（１）曲げ剛性の評価
実施例または比較例により得られたアーム部材から、それぞれ、長さ４００ｍｍに切り出した試験片を作製し、曲げ試験を行い、式（１）から曲げ剛性ＥＩを算出した。測定数はｎ＝２とし、平均値を用いた。
【００５０】
試験機として“インストロン（登録商標）万能試験機５９８０型（インストロン社製）”を用い、３点曲げ試験冶具（圧子直径１０ｍｍ、支点直径１０ｍｍ）を用いて支持スパンを試験片外径の４倍、試験速度を１％歪／ｍｍに設定し、曲げ剛性を測定した。試験片の水分率０．１質量％以下、雰囲気温度２３℃、および湿度５０質量％の条件下において、試験を行った。
ＥＩ＝Ｌ３／４８・ΔＰ／Δδ            （１）
・ＥＩ：アーム部材の曲げ剛性（Ｎ・ｍ２）
・Ｌ：指示スパン（ｍ）
・ΔＰ／Δδ：荷重―たわみ曲線の直線部の勾配（たわみ範囲０．０５％−０．２５％）（Ｎ／ｍ）
【００５１】
（２）ねじり剛性の評価
実施例または比較例により得られたアーム部材から、それぞれ、長さ４００ｍｍに切り出した試験片を作製し、ねじり試験を行い、式（２）からねじり剛性ＧＩｐを算出した。
【００５２】
試験機として“インストロン”（登録商標）ねじり試験機ＭＴ−１０（インストロン社製）を用い、周波数０．２Ｈｚ、ねじり角振幅２０°、両振りの条件で過重負荷を与え、たわみ角範囲１度−１０度における、ねじれ剛性ＧＩｐを１０回連続して測定し、その平均値を求めた。試験片の水分率０．１質量％以下、雰囲気温度２３℃、および湿度５０質量％の条件下において、試験を行った。
ＧＩｐ＝Ｌ・ΔＴ／Δφ            （２）
・ＧＩｐ：アーム部材のねじり剛性（Ｎ・ｍ２）
・Ｌ：チャック間（ｍ）
・ΔＴ／Δφ：ねじり―ねじれ角曲線の直線部の勾配（たわみ角範囲１度−１０度）（Ｎ・ｍ）
【００５３】
＜使用した材料＞
各実施例および各比較例で用いた材料と成分は下記の通りである。
【００５４】
［金属製梁部材（Ａ）］
・Ａ−１：矩形中空断面の金属製梁部材
アルミニウム合金“Ａ５０５２”を、加工温度まで加熱した後、押出し機のコンテナ内に装填し、矩形中空断面用のダイから押し出すことにより、幅５０ｍｍ、高さ５０ｍｍ、厚み１ｍｍ、長さ５００ｍｍの矩形中空断面の金属製梁部材（Ａ−１）を得た。
【００５５】
・Ａ−２：六角形中空断面の金属製梁部材
アルミニウム合金“Ａ５０５２”を、加工温度まで加熱した後、押出し機のコンテナ内に装填し、正六角形中空断面用のダイから押し出すことにより、一辺３２ｍｍ、厚み１ｍｍ、長さ５００ｍｍの正六角形中空断面の金属製梁部材（Ａ−２）を得た。
【００５６】
・Ａ−３：Ｃ断面の金属製梁部材
アルミニウム合金“Ａ５０５２”を、加工温度まで加熱した後、押出し機のコンテナ内に装填し、矩形中空断面用のダイから押し出すことにより、幅２５ｍｍ、高さ５０ｍｍ、厚み１ｍｍ、長さ５００ｍｍのＣ形断面の金属製構成材（Ａ−３）を得た。
【００５７】
［炭素繊維強化複合材料（Ｂ）］
・Ｂ−１：東レ（株）製、“トレカ（登録商標）”プリプレグ Ｐ３２５２Ｓ−１２
・Ｂ−２：熱可塑ＵＤテープ
炭素繊維束（東レ（株）製、“トレカ（登録商標）”糸Ｔ７００Ｓ−１２Ｋ）を準備し、連続的に糸道ガイドを通じて炭素繊維束を送り出した。連続的に送り出された炭素繊維束に、含浸ダイ内において６ナイロン樹脂（東レ（株）製、“アミラン（登録商標）”ＣＭ１０１７）を、充填したフィーダーから定量供給し、含浸させた。続いて、６ナイロン樹脂を含浸した炭素繊維束を、引取ロールを用いて含浸ダイのノズルから連続的に引き抜き、冷却ロールを通過して、６ナイロン樹脂が冷却固化され、熱可塑ＵＤテープとして巻取機に巻き取られた。得られた熱可塑ＵＤテープの厚さは０．５ｍｍであり、炭素繊維方向は一方向に配列していた。また、熱可塑ＵＤテープ中の炭素繊維含有率は５０ｖｏｌ％であった。
【００５８】
［接着剤（Ｃ）］
・Ｃ−１：セメダイン（株）製、エポキシ系接着剤“ＥＰ−１７１”
【００５９】
［離型剤（Ｄ）］
・Ｄ−１：ダイキン（株）製、離型剤“ダイフリーＧＷ−２５１”
【００６０】
（実施例１）
所定の寸法にカットした炭素繊維強化複合材料（Ｂ−１）を、０°方向に厚み２ｍｍになるよう積層し、硬化雰囲気に暴露した硬化板を、炭素繊維の配向方向に５００ｍｍ、直角方向に５０ｍｍの寸法に切り出した。次に、前記硬化板の接着面にサンドブラストをかけて整え、接着剤（Ｃ−１）を塗り、接着面を上にしてデシケータに入れ、真空ポンプで３ｍｍＨｇまで減圧し１分置いてから空気を入れて常圧に戻した。減圧にしては常圧に戻す操作を合計３回繰り返し、デシケータから取り出し、接着剤塗布済み硬化板を用意した。
【００６１】
次に、矩形中空断面の金属製梁部材（Ａ−１）の４つの側面すべてにサンドブラストをかけて整え、接着剤（Ｃ−１）を塗り、接着面を上にしてデシケータに入れ、真空ポンプで３ｍｍＨｇまで減圧し１分置いてから空気を入れて常圧に戻した。減圧にしては常圧に戻す操作を合計３回繰り返し、デシケータから取り出し、接着剤塗布済み金属製梁を用意した。
【００６２】
接着剤塗布済み硬化板を４つの側面にそれぞれ張り付けた金属梁を、バギングフィルムで覆い、前記バギングフィルム内の真空度が３ｍｍＨｇまで減圧した状態で、８０℃に設定した温風機内で３０分間加熱し、金属製梁に補強層を接着したアーム部材を得て、曲げ剛性の評価及びねじり剛性の評価を実施した。その結果を表１に記す。
【００６３】
（実施例２）
実施例１で用意した硬化板を、炭素繊維の配向方向に５００ｍｍ、その直角方向に４８ｍｍの寸法に切り出し、矩形中空断面の金属製梁部材（Ａ−１）の４つの側面にそれぞれ、両幅端１ｍｍの隙間を開けて接着する以外は、実施例１と同様にして、アーム部材を得て、曲げ剛性の評価及びねじり剛性の評価を実施した。その結果を表１に記す。
【００６４】
（実施例３）
実施例１で用意した硬化板を、炭素繊維の配向方向に５００ｍｍ、直角方向に３２ｍｍの寸法に切り出し、六角形中空断面の金属製梁部材（Ａ−２）の６つの側面にそれぞれ、接着する以外は、実施例１と同様にして、アーム部材を得て、曲げ剛性の評価及びねじり剛性の評価を実施した。その結果を表１に記す。
【００６５】
（実施例４）
実施例１で用意した接着剤塗布済み金属製梁（Ａ−１）に、炭素繊維強化複合材料（Ｂ−１）を、炭素繊維の配向方向と前記金属製梁の長さ方向に合わせて、炭素繊維強化複合材料（Ｂ−１）層の厚みが２ｍｍになるまで巻き付けた、中間体を得た。
【００６６】
次に、前記中間体をバギングフィルムで覆い、前記バギングフィルム内の真空度が３ｍｍＨｇまで減圧した状態で、炭素繊維強化複合材料（Ｂ−１）の硬化雰囲気に暴露し、アーム部材を得て、曲げ剛性の評価及びねじり剛性の評価を実施した。その結果を表１に記す。
【００６７】
（比較例１）
矩形中空断面の金属製梁部材（Ａ−１）の４つの側面すべてを、♯８００のサンドペーパーで鏡面になるまで磨き、離型剤（Ｄ−１）を塗布したこと以外は、実施例１と同様にしてアーム部材を得た。このアーム部材を、−２０℃の冷凍機内で冷却した後、矩形中空断面の金属製梁部材（Ａ−１）を除去し、ＣＦＲＰアーム部材を得て、曲げ剛性の評価及びねじり剛性の評価を実施した。その結果を表１に記す。
【００６８】
（比較例２）
矩形中空断面の金属製梁部材（Ａ−１）を、曲げ剛性の評価及びねじり剛性の評価に供した。その結果を表１に記す。
【００６９】
【表１】
2020099991.tif 000003
【００７０】
（実施例５）
Ｃ形断面の金属製梁部材（Ａ−３）にサンドブラストをかけて表面を整えた後に、３つの外側面に熱可塑ＵＤテープ（Ｂ−２）を、レーザー溶着装置を用いて、長さ方向の５００ｍｍ全域に超音波溶着し、アーム部材を得た。熱可塑ＵＤテープ（Ｂ−２）は、１度に、Ｃ形断面の金属製梁部材（Ａ−３）の１面にのみ、熱可塑ＵＤテープの繊維方向とＣ形断面の金属製梁部材（Ａ−３）の長さ方向を一致するように超音波溶着した。その際、３つの貼り付け面のうち、Ｃ断面の上辺と、下辺にあたる面は、張り付け面の幅より１ｍｍ狭い２４ｍｍにスリットした熱可塑ＵＤテープ（Ｂ−２）を、Ｃ形断面の２つの角から１ｍｍ離して配置し、上辺と下辺をつなぐ第３の辺にあたる面は、張り付ける面の幅より２ｍｍ狭い４８ｍｍスリットした熱可塑ＵＤテープ（Ｂ−２）を、貼り付け面の幅方向の両端からそれぞれ１ｍｍずつ離して、配置した。得られたアーム部材を評価に供し、その結果を表２に記す。
【００７１】
（実施例６）
Ｃ形断面の金属製梁部材（Ａ−３）の１つの外側面につき、熱可塑ＵＤテープ（Ｂ−２）１層をレーザー溶着する工程を２度実施して、２層積層する以外は、実施例５と同様にして、図５に示すアーム部材を得て、評価に供した。その結果を表２に示す。
【００７２】
（比較例３）
Ｃ形断面の金属製梁部材（Ａ−３）を、曲げ剛性の評価及びねじり剛性の評価に供した。その結果を表２に記す。
【００７３】
【表２】
2020099991.tif 000004
【００７４】
（実施例７）
（実施例５）で作製したＣ形断面アーム部材の図６に示す接合面をサンドブラストにかけて整え、接着剤（Ｃ−１）を塗り、接着面を上にしてデシケータに入れ、真空ポンプで３ｍｍＨｇまで減圧し１分置いてから空気を入れて常圧に戻した。減圧にした後で常圧に戻す操作を合計３回繰り返し、デシケータから取り出し、接着剤塗布済みＣ形断面アーム構成材を２本用意した。この接着剤塗布済みＣ形断面アーム構成材２本を、図６に示すように突き合わせ、接合面を接着により接合した矩形断面のアーム部材を得て、評価に供した。その結果を表３に示す。
【００７５】
【表３】
2020099991.tif 000005
【００７６】
以上のように、実施例１から７においては、曲げ剛性とねじり剛性を両立し、補強層がシワなく張り付けられ外観に優れた、良好なアーム部材が得られた。本発明のアーム部材を構成する、炭素繊維強化複合材料の補強層が、既定の範囲を満足するよう配置したことにより、成し得たものである。しかし、実施例４は、アーム部材の角周辺にわずかにシワが見られるもののおおむね許容できる水準であった。
【００７７】
一方、比較例１はシワに加えてねじり剛性に劣り、比較例２は曲げ剛性に劣り、比較例３は曲げ剛性とねじり剛性の両方に劣るものであった。
【産業上の利用可能性】
【００７８】
本発明のアーム部材は、高い曲げ剛性とねじり剛性を有し、経済性に優れることから、少なくとも片側に連節部を有する、多関節ロボットに好適に用いることができる。
【符号の説明】
【００７９】
１  アーム部材
２  矩形中空構造の金属製梁部材
３  補強層
４  連節部
５  アーム部材
６  アーム部材
７  アングルの金属製梁構成材
８  Ｃ形断面のアーム部材（補強層を溶着法で接合）
９  Ｃ形断面の金属製梁部材
１０  補強層
１１  Ｃ形断面のアーム部材（２層の補強層を溶着法で接合）
１２  補強層（熱可塑ＵＤテープを２層積層）
１３  ２つのＣ形断面のアーム構成材を組み合わせた矩形断面のアーム部材
１４  金属製梁構成材
１５  補強層材
１６  接合面
【図１】
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【図２】
2020099991.tif 000007
【図３】
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【図４】
2020099991.tif 000009
【図５】
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【図６】
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