(57)【要約】【課題】曲げ剛性とねじり剛性を両立する、軽量な多関節ロボット用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、熱可塑性樹脂製梁部材に、繊維強化複合材料からなる補強層を連節部から前記熱可塑性樹脂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。【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って、アームとなる熱可塑性樹脂製梁部材に、繊維強化複合材料からなる補強層を、前記連節部から前記熱可塑性樹脂製梁部材の延在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】
前記熱可塑性樹脂製梁部材の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】
前記熱可塑性樹脂製梁部材が少なくとも１つの平面を有し、前記平面と平行に補強層を配置する請求項１または２に記載のアーム部材。
【請求項４】
前記熱可塑性樹脂製梁部材が多角形断面を有する請求項１から３のいずれかに記載のアーム部材。
【請求項５】
前記補強層が、前記熱可塑性樹脂製梁部材内にインサートされた請求項１から４のいずれかに記載のアーム部材。
【請求項６】
前記熱可塑性樹脂製梁部材を構成する熱可塑性樹脂と、前記繊維強化複合材料のマトリックスが、共にポリフェニレンサルファイドである請求項１から５のいずれかに記載のアーム部材。
【請求項７】
前記熱可塑性樹脂製梁部材が、フィラーとして強化繊維を含む請求項１から６のいずれかに記載のアーム部材。
【請求項８】
前記熱可塑性樹脂製梁部材が中空断面を有する請求項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、前記多角形断面の中心と外周上の角とを結んだ放射状直線を跨がない領域に配置された、請求項４から８のいずれかに記載のアーム部材。
【請求項１０】
前記多角形断面が中空多角形断面であり、前記補強層が、前記中空多角形断面の中心と内周上の角とを結んだ放射状直線を跨がない領域に配置された、請求項９に記載のアーム部材。
【請求項１１】
前記中空多角形断面の内辺ｉの長さａｉと、内辺ｉに向かい合う補強層の長さｂｉが、０．５ａｉ≦ｂｉ≦ａｉの関係にある請求項１０に記載のアーム部材。
【請求項１２】
前記熱可塑性樹脂製梁部材が、少なくとも２つの熱可塑性樹脂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１１のいずれかに記載のアーム部材。
【請求項１３】
請求項１から１２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、熱可塑性樹脂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１４】
請求項１から１２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、あらかじめ金型内の所定の位置にインサートされた熱可塑ＵＤテープを、射出された熱可塑性樹脂で封入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１２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、熱可塑性樹脂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型軽量化が求められ、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、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、曲げ剛性とねじり剛性を両立する、軽量な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って、アームとなる熱可塑性樹脂製梁部材に、繊維強化複合材料からなる補強層を、前記連節部から前記熱可塑性樹脂製梁部材の延在方向に沿って配置することを特徴とする、アーム部材。
（２）前記熱可塑性樹脂製梁部材の両側に連節部を有する（１）に記載のアーム部材。
（３）前記熱可塑性樹脂製梁部材が少なくとも１つの平面を有し、前記平面と平行に補強層を配置する（１）または（２）に記載のアーム部材。
（４）前記熱可塑性樹脂製梁部材が多角形断面を有する（１）から（３）のいずれかに記載のアーム部材。
（５）前記補強層が、前記熱可塑性樹脂製梁部材内にインサートされた（１）から（４）のいずれかに記載のアーム部材。
（６）前記熱可塑性樹脂製梁部材を構成する熱可塑性樹脂と、前記繊維強化複合材料のマトリックスが、共にポリフェニレンサルファイドである（１）から（５）のいずれかに記載のアーム部材。
（７）前記熱可塑性樹脂製梁部材が、フィラーとして強化繊維を含む（１）から（６）のいずれかに記載のアーム部材。
（８）前記熱可塑性樹脂製梁部材が中空断面を有する（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、前記多角形断面の中心と外周上の角を結んだ放射状直線を跨がない領域に配置された、（４）から（８）のいずれかに記載のアーム部材。
（１０）前記多角形断面が中空多角形断面であり、前記補強層が、前記中空多角形断面の中心と内周上の角を結んだ放射状直線を跨がない領域に配置された、（９）に記載のアーム部材。
（１１）前記中空多角形断面の内辺ｉの長さａｉと、内辺ｉに向かい合う補強層の長さｂｉが、０．５ａｉ≦ｂｉ≦１ａｉの関係にある（１０）に記載のアーム部材。
（１２）前記熱可塑性樹脂製梁部材が、少なくとも２つの熱可塑性樹脂製梁構成材を組み合わせた複合梁部材からなる（１）から（１１）のいずれかに記載のアーム部材。
（１３）（１）から（１２）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、熱可塑性樹脂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。
（１４）（１）から（１２）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、あらかじめ金型内の所定の位置にインサートされた熱可塑ＵＤテープを、射出された熱可塑性樹脂で封入することを特徴とするアーム部材の製造方法。
（１５）（１）から（１２）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、曲げ剛性とねじり剛性を両立する、軽量な多関節ロボット用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。
【図７】図７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８】図８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９】図９は、本発明に係るアーム部材を成形するための金型の一例を示す断面図である。
【図１０】図１０は、本発明に係るアーム部材を成形する成型工程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、熱可塑性樹脂製梁部材に、繊維強化複合材料からなる補強層を連節部から前記熱可塑性樹脂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、矩形中空構造の熱可塑性樹脂製梁部材２、補強層３、フランジ４およびフランジ−梁接合部５から構成されている。連節部は、他の部材との接合構造を有し、フランジ４およびフランジ−梁接合部５も、連節部に含まれる。また、連節部は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、熱可塑性樹脂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、熱可塑性樹脂製梁部材の平面と平行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、外観に優れるため好ましい。
【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：一方向）テープが挙げられるが、熱可塑ＵＤテープが、熱可塑性樹脂製梁部材と容易に一体化できる観点から好ましい。
【００１８】
熱可塑ＵＤテープは、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、熱可塑性樹脂を染み込ませてプレスすることで、熱可塑ＵＤテープを容易に作成することができる。
【００１９】
熱可塑ＵＤテープを構成する熱可塑性樹脂は、加熱することで強化繊維に染み込ませることが可能な粘度まで溶融し、冷却することで固化する樹脂であれば特に限定されない。かか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、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。
【００２０】
プリプレグは、特に限定されるものではないが、熱可塑性樹脂を用いる代わりに熱硬化性樹脂を用いること以外は上記の熱可塑ＵＤテープと同様にして、プリプレグを容易に作製することができる。
【００２１】
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。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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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熱可塑性樹脂製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、熱可塑性樹脂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。
【００２５】
本発明にかかる補強層は、熱可塑性樹脂製梁部材内にインサートされていることで、補強層と熱可塑性樹脂製梁部材との密着度が高まり、高い曲げ剛性を発現するだけでなく、長期間にわたり繰り返し荷重が負荷されても、補強層のはがれがなく、剛性の低下がないため、好ましい。
【００２６】
補強層を、熱可塑性樹脂製梁部材中にインサートする場合、補強層の一部が表面に露出することもできる。また、熱可塑性樹脂製梁部材中に、完全に埋め込むこともできる。
【００２７】
本発明にかかる補強層は、熱可塑性樹脂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。
【００２８】
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、テーパ部を有することで、長期間使用でも、補強層の剥がれなく、曲げ剛性とねじり剛性が維持されるため、好ましい。
【００２９】
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。
【００３０】
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できる。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。
【００３１】
次に、本発明に関連するアーム部材用繊維強化複合材料の強化繊維について説明する。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
本発明のアーム部材を構成する、熱可塑性樹脂製梁部材について説明する。
【００３５】
本発明にかかる熱可塑性樹脂製梁部材は、軽量で、成形が容易で比較的安価に製造できる観点から、熱可塑性樹脂から製造されることが重要である。
【００３６】
熱可塑性樹脂製梁部材を構成する熱可塑性樹脂は、加熱することで溶融し、冷却することで固化する樹脂であれば特に限定されない。かか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、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、熱可塑ＵＤテープとの溶着の観点から、熱可塑ＵＤテープのマトリックスと同種の熱可塑性樹脂が好ましい。
【００３７】
本発明にかかる熱可塑性樹脂製梁部材の改質を目的として、上述した樹脂以外の熱可塑性樹脂、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。例えば、フィラーとして１ｍｍ以下の炭素繊維を添加することで、曲げ剛性およびねじり剛性に優れたアーム部材を得ることができるため、好ましい。
【００３８】
本発明にかかる熱可塑性樹脂製梁部材は、補強層を配置するために少なくとも１つの平面を有することが好ましい。アーム部材用繊維強化複合材料を平面状に、積層・成形して、補強層を作製できるため、経済性に優れている。また、補強層を、熱可塑性樹脂製梁部材にインサートする場合でも、平面が、補強層のインサート位置を決める基準となるため、好ましい。
【００３９】
熱可塑性樹脂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。
【００４０】
熱可塑性樹脂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。
【００４１】
本発明にかかる熱可塑性樹脂製梁部材は、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。
【００４２】
本発明にかかる補強層は、熱可塑性樹脂製梁部材の多角形断面の中心と外周上の角を結んだ放射状直線を、跨がない領域に配置することで、もともと剛性に優れる熱可塑性樹脂製梁部材の外周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、賦形が難しい角周辺を避けて補強層を設置することで、シワの発生を抑え、補強層の有する本来の剛性を発現できるため、好ましい。また、前記放射状直線から円周方向に１ｍｍ以上離して、補強層を設置するほうがより好ましい。
【００４３】
ここで、好ましい補強層の配置について、図面を用いて説明する。図２は本発明における一実施態様であって、アーム部材６は矩形中空断面を有し、この断面の中心（重心）７と外周角８をつないだ直線が放射状直線９である。補強層１０が、この放射状直線を跨がないように配置されることが、本発明の好ましい範囲である。放射状直線と補強層の距離１１は、放射状直線と補強層の端部の最短距離で表される。
【００４４】
本発明にかかる補強層は、熱可塑性樹脂製梁部材の中空多角形断面の中心と内周上の角を結んだ放射状直線を、跨がない領域に配置することで、もともと剛性に優れる熱可塑性樹脂製梁部材の内周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、賦形が難しい角周辺を避けて補強層を設置することで、シワの発生を抑え、補強層の有する本来の剛性を発現できるため、好ましい。また、前記放射状直線から円周方向に１ｍｍ以上離して、補強層を設置するほうがより好ましい。
【００４５】
ここで、好ましい補強層の配置ついて、図面を用いて説明する。図３は本発明における一実施態様であって、アーム部材１２は矩形中空断面を有し、この断面の中心（重心）１３と内周角１４をつないだ直線が放射状直線１５である。補強層１６が、この放射状直線を跨がないように配置されることが、本発明の好ましい範囲である。
【００４６】
本発明にかかる補強層の寸法として、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熱可塑性樹脂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。
【００４７】
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４で説明する。図４に示すように、本発明の一例のアーム部材１７は、矩形中空断面の内辺ｉ（添え字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ｉ＝１，２，３，４）の関係を満たすことをいう。
【００４８】
本発明のアーム部材は、２つ以上の熱可塑性樹脂製梁構成材を組み合わせた複合梁部材からなる熱可塑性樹脂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熱可塑性樹脂製梁構成材を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。
【００４９】
本発明にかかる熱可塑性樹脂製梁部材の製造方法は特に限定されないが、例えば、射出成形法や、押出成形法、引き抜き成形法などが例示できる。
【００５０】
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、熱可塑性樹脂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、熱可塑性樹脂製梁部材上に接着剤で張り付けるコボンド法、熱可塑ＵＤテープを熱可塑性樹脂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、または、あらかじめ繊維強化複合材料をインサートした金型内に、熱可塑性樹脂を射出して成形するインサート法が挙げられる。
【００５１】
図５に溶着法で作製したＣ形断面のアーム部材２０の断面図を例示する。熱可塑ＵＤテープの補強層２２を、Ｃ形断面の熱可塑性樹脂製梁部材２１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。
【００５２】
図６に溶着法で作製した、補強層２５として熱可塑ＵＤテープを２層積層した矩形断面アーム部材２３の断面図を例示する。矩形断面の熱可塑性樹脂製梁部材２４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。
【００５３】
また、図７にインサート法で作製したＣ形断面アーム部材２６の、断面図を例示する。あらかじめインサートした熱可塑ＵＤテープを、射出された熱可塑性樹脂で封入するため、補強層２８とＣ形断面の熱可塑性樹脂製梁部材２７との密着性に優れるといった特徴がある。
【００５４】
図８に、２つのＣ形断面のアーム部材を、接合面３２を介して組み合わせた矩形断面のアーム部材２９の断面図を例示する。個別に成形したＣ形断面アーム部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８で図示した矩形断面のアーム部材２９は、図７で図示したＣ形断面アーム部材２６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形断面の熱可塑性樹脂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３１して熱可塑ＵＤテープを溶着することもできる。
【００５５】
図９に断面図が例示される、Ｃ形断面アーム部材のインサート成形用金型３３、および図１０に例示される前記Ｃ形断面アーム部材の成形方法について、説明する。下型のキャビティ底面および側面のインサート位置３４に熱可塑ＵＤテープが挿入され、ピン等の固定する機構により、熱可塑性樹脂がキャビティ３５に注入されるまで固定される。その後金型を所定温度に加熱されるとともに、閉じられた状態で、下型に設けられた射出用樹脂注入路３６を通して溶融熱可塑性樹脂組成物か射出、充填され、アーム部材が成形される。
【実施例】
【００５６】
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。
【００５７】
＜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。
【００５８】
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）
【００５９】
（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。
【００６０】
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）
【００６１】
（３）密着性評価
実施例により得られたアーム部材の、第１層と第２層の接合面の密着性を目視で評価した。接合面がよく接合したものを○、わずかに剥離が見られるがおおよそよく接合したものを△、接合面が剥離したものを×と判定した。
【００６２】
＜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。
【００６３】
［熱可塑性樹脂（Ａ）］
・Ａ−１：東レ（株）製、“トレカ（登録商標）” 短繊維ペレットＡ６３０Ｔ−３０Ｖ
・Ａ−２：東レ（株）製、“トレリナ（登録商標）”ＰＰＳ樹脂Ａ９００
【００６４】
［炭素繊維強化複合材料（Ｂ）］
・Ｂ−１：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熱可塑性樹脂（Ａ−２）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、熱可塑性樹脂（Ａ−２）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、熱可塑性樹脂（Ａ−２）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。
【００６５】
（参考例１）
熱可塑性樹脂（Ａ−１）を、押出成形機のホッパに投入し、シリンダ内のスクリューを通して溶融・圧縮して、該成形機前方に運ばれ、矩形断面用のダイから押し出すことにより、幅７０ｍｍ、高さ７０ｍｍ、厚み３．２ｍｍ、長さ５００ｍｍの矩形断面の熱可塑性樹脂製梁部材（ａ−１）を得た。
【００６６】
（参考例２）
熱可塑性樹脂（Ａ−１）を、押出成形機のホッパに投入し、シリンダ内のスクリューを通して溶融・圧縮して、該成形機前方に運ばれ、厚肉矩形断面用のダイから押し出すことにより、幅７０ｍｍ、高さ７０ｍｍ、厚み５ｍｍ、長さ５００ｍｍの矩形断面の熱可塑性樹脂製梁部材（ａ−２）を得た。
【００６７】
（参考例３）
熱可塑性樹脂（Ａ−１）を、押出成形機のホッパに投入し、シリンダ内のスクリューを通して溶融・圧縮して、該成形機前方に運ばれ、Ｃ形断面用のダイから押し出すことにより、幅３５ｍｍ、高さ７０ｍｍ、厚み３．２ｍｍ、長さ５００ｍｍのＣ形断面の熱可塑性樹脂製梁部材（ａ−３）を得た。
【００６８】
（実施例１）
（参考例１）で作製した、熱可塑性樹脂製梁部材（ａ−１）の４つの外側面に、熱可塑ＵＤテープ（Ｂ−１）を、超音波溶着装置（アドウェルズ社製、ＳＷ１０００ＬＳ）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−１）は、１度に、熱可塑性樹脂製梁部材（ａ−１）の１面にのみ、熱可塑ＵＤテープの繊維方向と熱可塑性樹脂製梁部材（ａ−１）の長さ方向を一致するように超音波溶着するが、４つのすべての貼り付け面において、６６ｍｍにスリットした熱可塑ＵＤテープ（Ｂ−１）を、貼り付け面の幅方向の両端からそれぞれ２ｍｍ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１に記す。
【００６９】
（比較例１）
熱可塑性樹脂製梁部材（ａ−１）をそのまま評価に供し、その結果を表１に記す。
【００７０】
（比較例２）
熱可塑性樹脂製梁部材（ａ−２）をそのまま評価に供し、その結果を表１に記す。
【００７１】
【表１】
2020023045.tif 000003
【００７２】
（実施例２）
（参考例３）で作製した、熱可塑性樹脂製梁部材（ａ−３）の３つの外側面に、熱可塑ＵＤテープ（Ｂ−１）を、超音波溶着装置（アドウェルズ社製、ＳＷ１０００ＬＳ）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−１）は、１度に、熱可塑性樹脂製梁部材（ａ−３）の１面にのみ、熱可塑ＵＤテープの繊維方向と熱可塑性樹脂製梁部材（ａ−３）の長さ方向を一致するように超音波溶着するが、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２ｍｍ狭い３３ｍｍにスリットした熱可塑ＵＤテープ（Ｂ−１）を、Ｃ断面の２つの角から２ｍｍ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４ｍｍ狭い６６ｍｍスリットした熱可塑ＵＤテープ（Ｂ−１）を、貼り付け面の幅方向の両端からそれぞれ２ｍｍ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。
【００７３】
（比較例３）
熱可塑性樹脂製梁部材（ａ−３）をそのまま評価に供し、その結果を表２に記す。
【００７４】
【表２】
2020023045.tif 000004
【００７５】
（実施例３）
図１０に示す手順に沿って、Ｃ断面用射出成型金型内の、成形体の３つの外側面にあたる金型内の面に熱可塑ＵＤテープ（Ｂ−１）をインサートした後、熱可塑性樹脂（Ａ−１）を用いて射出成形し、幅３５ｍｍ、高さ７０ｍｍ、厚み３．２ｍｍ、長さ５００ｍｍのＣ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。なお、インサートしたＵＤテープの長さおよび幅は、実施例２と統一した。
【００７６】
【表３】
2020023045.tif 000005
【００７７】
（実施例４）
（実施例３）で作製したＣ形断面のアーム部材２本を図８に示すように突き合わせ、接合面を振動溶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４に示す。
【００７８】
【表４】
2020023045.tif 000006
【００７９】
（実施例５）
（参考例１）で作製した熱可塑性樹脂製梁部材（ａ−１）の１つの外側面につき、熱可塑ＵＤテープ（Ｂ−１）１層を振動溶着する工程を２度実施して、２層積層する以外は、請求項１と同様にして、図６に示すアーム部材を得て、評価に供した。その結果を表５に示す。
【００８０】
【表５】
2020023045.tif 000007
【００８１】
以上のように、実施例１から５においては、曲げ剛性とねじり剛性を両立する、軽量なアーム部材が得られた。本発明のアーム部材が、熱可塑性樹脂の第１層と、炭素繊維強化複合材料の第２層からなる構成を満足したことにより、成し得たものである。
【００８２】
一方、比較例１および３は曲げ剛性に劣り、比較例２は、曲げ剛性が実施例１と同等であるが、軽量性に劣るものであった。
【産業上の利用可能性】
【００８３】
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、軽量であることから、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】
【００８４】
１  矩形断面のアーム部材（補強層を超音波法で接合）
２  矩形断面の熱可塑性樹脂製梁部材
３  補強層
４  フランジ
５  フランジ−梁接合部
６  矩形断面のアーム部材
７  矩形断面の中心
８  矩形断面の外周角
９  放射状直線
１０  補強層
１１  補強層と放射状直線の距離
１２  矩形断面のアーム部材
１３  矩形断面の中心
１４  矩形断面の内周角
１５  放射状直線
１６  補強層
１７  矩形断面のアーム部材
１８  矩形断面の熱可塑性樹脂製梁部材
１９  補強層
２０  Ｃ形断面のアーム部材（補強層を溶着法で接合）
２１  Ｃ形断面の熱可塑性樹脂製梁部材
２２  補強層
２３  矩形断面のアーム部材（２層の補強層を超音波法で接合）
２４  矩形断面の熱可塑性樹脂製梁部材
２５  補強層（熱可塑ＵＤテープを２層積層）
２６  Ｃ形断面のアーム部材（補強層をインサート法で接合）
２７  Ｃ形断面の熱可塑性樹脂製梁部材
２８  補強層
２９  ２つのＣ形断面のアーム部材を組み合わせた矩形断面のアーム部材
３０  Ｃ形断面の熱可塑性樹脂製梁構成材
３１  補強層
３２  接合面
３３  インサート成形用金型
３４  繊維強化複合材料のインサート位置
３５  金型キャビティ
３６  射出用樹脂注入路
【図１】
2020023045.tif 000008
【図２】
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【図３】
2020023045.tif 000010
【図４】
2020023045.tif 000011
【図５】
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【図６】
2020023045.tif 000013
【図７】
2020023045.tif 000014
【図８】
2020023045.tif 000015
【図９】
2020023045.tif 000016
【図１０】
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