(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭素繊維を含むプリプレグシートを積層して矩形状断面とされたものを熱硬化させたＦＲＰ部材から成り、産業用ロボットのアーム部に取り付けられるロボットハンド部材を製造する方法において、
所定温度以下では加熱非変形性を有し且つ上記熱硬化されたプリプレグシートとの密着性が良好な樹脂を用いて矩形状断面とされた芯材の外周面の４面それぞれに、最内層にはＰＡＮ系炭素繊維をその配向方向が芯材の長手方向に対して９０度に配向されたプリプレグシートを積層し、中間層には引張弾性率が上記ＰＡＮ系炭素繊維よりも高いピッチ系炭素繊維をその配向方向が芯材の長手方向に対して０度に配向されたプリプレグシートを積層し、最外層には二方向の炭素繊維が９０度で交わるように配向されたクロスプリプレグシートを巻掛けて被覆し、前記芯材の全外周面にプリプレグシートの積層部材を形成する積層工程と、
前記積層工程で形成された積層部材を加熱し熱硬化させて前記芯材と一体化したＦＲＰ部材を形成する加熱工程と、
を行うことを特徴とするロボットハンド部材の製造方法。
【請求項２】
炭素繊維を含むプリプレグシートを積層して矩形状断面とされたものを熱硬化させたＦＲＰ部材から成り、産業用ロボットのアーム部に取り付けられるロボットハンド部材を製造する方法において、
所定温度以下では加熱非変形性を有し且つ上記ＦＲＰ部材より熱膨張率が大きい金属又は樹脂を用いて矩形状断面とされた芯材の外周面の４面それぞれに、最内層にはＰＡＮ系炭素繊維をその配向方向が芯材の長手方向に対して９０度に配向されたプリプレグシートを積層し、中間層には引張弾性率が上記ＰＡＮ系炭素繊維よりも高いピッチ系炭素繊維をその配向方向が芯材の長手方向に対して０度に配向されたプリプレグシートを積層し、最外層には二方向の炭素繊維が９０度で交わるように配向されたクロスプリプレグシートを巻掛けて被覆し、前記芯材の全外周面にプリプレグシートの積層部材を形成する積層工程と、
前記積層工程で形成された積層部材を加熱し熱硬化させてＦＲＰ部材を形成する加熱工程と、
前記ＦＲＰ部材から前記芯材を抜き取り中空構造とする芯材抜取工程と、
を行うことを特徴とするロボットハンド部材の製造方法。
【請求項３】
上記中間層にプリプレグシートを積層するのは、該プリプレグシートの炭素繊維の配向方向が芯材の長手方向に対して０度と９０度に配向されたものを含むことを特徴とする請求項１又は２記載のロボットハンド部材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、産業用ロボットのロボットハンド部材の製造方法に関し、特に、炭素繊維を含んで構成される繊維強化複合材料(ＦＲＰ)からなるロボットハンド部材を、安価に且つ短時間に製造することを可能にするロボットハンド部材の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
産業用ロボットのロボットハンドは、ロボットアームの先端に取付けられ、ロボットアームの動作を介して、ワークの支持・把持・挟持等を行うものであり、鉄、ステンレス、アルミニウム等の金属素材によって製造されるものが多かった。
【０００３】
液晶ディスプレー（ＬＣＤ）、プラズマディスプレーパネル（ＰＤＰ）、シリコンウェハ等の精密品の製造工程で使用される基板搬送用等のロボットハンドについては、ＬＣＤ等の普及と共に大きくなりつつあるガラス基板のサイズに対応すべく大型化の要請が高い。しかし、かかる大型化には、ロボットハンド部材の自重による撓みが増大するという不都合を伴うので、これに対処すべく、軽量性を有する材料が求められていた。
【０００４】
又、前記精密品の搬送等を行う場合の搬送精度を高める為に、曲げ剛性、耐熱性、振動減衰性の高い材料が求められていた。
かかる特性の材料として、種々の繊維強化複合材料（ＦＲＰ）が開発されており、特に、炭素繊維強化複合材料（ＣＦＲＰ）の無垢材からなるロボットハンド部材が普及している。
【０００５】
かかるＣＦＲＰ無垢材からなるロボットハンド部材は、炭素繊維プリプレグシートを、離型フィルムが貼られたあて板の上に載せ、アイロン等で熱を掛けながら所望の厚みに達するまで複数枚積層貼付した後、最上面にあて板を乗せた状態で真空バックに入れ、加熱硬化させ、これを自然冷却させた後、あて板及び離型フィルムを外すことによって製造されている。
【０００６】
又、特開２０００−３４３４７６号公報に記載されているように、炭素繊維プリプレグシートを複数枚積層して加熱し熱硬化させた板状のＣＦＲＰ（以下「ＣＦＲＰ板」という）からなるスキン層と、同じくＣＦＲＰからなるコア層とを別々に成形し、上記コア層を芯材として、その上面及び下面にスキン層を積層し、該コア層とスキン層とを接着剤により貼り合わせて製造する技術も提案されている。
【０００７】
この場合、上記スキン層としては、炭素繊維の配向方向を異ならせた炭素繊維プリプレグシートを複数枚積層することによって、曲げ剛性、振動減衰特性、耐熱性等を向上させている。又、上記コア層としては、アルミニウム等の金属や繊維集合体からなるハニカム状の芯材とＣＦＲＰ材を組み合わせることによって、軽量化を図ると共に、曲げ剛性、振動減衰特性、耐熱性等を向上させている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、前記ＣＦＲＰ無垢材からなるロボットハンド部材では、軽量な材料を使用しているにも関わらず、近年のロボットハンド部材の大型化に伴い自重が大きくならざるを得ない為、自重による撓みを充分に解消することができなかったり、ロボットハンド部材の取付部位やロボット駆動系への負荷が大きくなったり、ロボットそのものの設計に困難性が生じたり、或いはコストが高くなる、といった不都合が生じていた。
【０００９】
かかるロボットハンド部材において、ロボットハンド部材の厚みを薄くしたり、ロボットハンド部材のワーク支持面の幅を狭くしたりして軽量化することで、自重撓みはある程度解消できるが、このような対策では、ロボットハンドの曲げ剛性が低下するので、ワークを支持した際の荷重撓みが大きくなってしまう。
特に、長尺のロボットハンド部材を片持に取付けた場合等は、先端部における撓みが大きくなり、ワークを支持した際の振動等が大きくなり易いので、ワーク支持性或いは搬送性に支障を来す虞があった。
【００１０】
又、特開２０００−３４３４７６号公報に記載のロボットハンド部材の製造においては、ＣＦＲＰ板としてのスキン層と、芯材としてのコア層を予め成形しておき、コア層の上面及び下面にスキン層を接着剤で接合し、これをロボットハンド部材の寸法に合わせて切断することによって、ロボットハンド部材を形成していたので、製造工程数が多くなり、製造効率が低い上に、製造コストが高かった。
【００１１】
特に、プリプレグシートの積層工程及び加熱硬化工程を経てスキン層を成形した後に、それをコア層と接合するので、スキン層の製造工程における加熱及び冷却時間と、コア層とスキン層との接着時間とが別個必要となり、製造所要時間が長くなるものであった。
又、予め所定の厚みに成形した（熱硬化させた）４面分のＦＲＰ板を接着剤を用いて断面方形に貼り合わせる方法も考えられる。しかし、この方法では、プリプレグシートの積層工程、ＦＲＰ板の成形工程、貼り合わせ工程が必要であると共に、接着して貼り合わせた部分では荷重に対する強度が低くなるという問題がある。
【００１２】
更に、ロボットハンド部材としては、液晶ディスプレー、プラズマディスプレー、シリコンウェハ等の精密品をワークとして搬送等する為、該ロボットハンド部材がワークを傷付けたりしないような平面性が必要であるが、中空構造のロボットハンド部材にすると、中央部分が窪み易く、その場合には、中空構造のロボットハンド部材を平面にする後加工を必要とする不都合がある。
【００１３】
そこで、本発明は、ロボットハンド部材の製造に際し、軽量なロボットハンド部材を形成することができると共に、工程数を削減でき、製造所要時間を短縮できる効率的な製造方法の提供を目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係るロボットハンド部材の製造方法は、炭素繊維を含むプリプレグシートを積層して矩形状断面とされたものを熱硬化させたＦＲＰ部材から成り、産業用ロボットのアーム部に取り付けられるロボットハンド部材を製造する方法において、所定温度以下では加熱非変形性を有し且つ上記熱硬化されたプリプレグシートとの密着性が良好な樹脂を用いて矩形状断面とされた芯材の外周面の４面それぞれに、最内層にはＰＡＮ系炭素繊維をその配向方向が芯材の長手方向に対して９０度に配向されたプリプレグシートを積層し、中間層には引張弾性率が上記ＰＡＮ系炭素繊維よりも高いピッチ系炭素繊維をその配向方向が芯材の長手方向に対して０度に配向されたプリプレグシートを積層し、最外層には二方向の炭素繊維が９０度で交わるように配向されたクロスプリプレグシートを巻掛けて被覆し、前記芯材の全外周面にプリプレグシートの積層部材を形成する積層工程と、前記積層工程で形成された積層部材を加熱し熱硬化させて前記芯材と一体化したＦＲＰ部材を形成する加熱工程と、を行うものである。
【００１５】
即ち、予め、芯材及びプリプレグシートを準備しておく。
芯材は、ロボットハンドの形状に対応させて成形されたものである。
又、炭素繊維を含んで構成されるプリプレグシートとは、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維、炭化珪素繊維等に熱硬化性樹脂を含浸させた未硬化状態のシートを言う。
【００１６】
本発明に係る製造方法において、先ず、積層工程において、複数のプリプレグシートを、例えば、断面方形状の芯材の外周面の４面それぞれに積層していく。
【００１７】
プリプレグシートは、未硬化状態であるので、芯材、或いは下層のプリプレグシートに重ね合わせただけで相互に貼着される。
その後、上記工程で形成された積層部材（即ち、芯材にプリプレグシートが積層されたもの）を加熱し硬化させる。この場合の加熱温度及び加熱時間は、プリプレグシートの熱硬化樹脂の種類に応じた熱硬化温度及び熱硬化時間とする。
プリプレグシートは強化繊維の配向方向に剛性を有するので、強化繊維の配向方向の異なるプリプレグシートを複数選択し、それらを積層することによって、ロボットハンド部材の撓み量を調節できるようになる。本発明では、プリプレグシートの強化繊維の配向を芯材の長手方向に沿う方向と長手方向に略直交する方向に異ならせて積層することによって、ロボットハンド部材の曲げ剛性、捻じり剛性、或いは振動減衰性等が向上される。
【００１８】
積層された複数のプリプレグシートは、夫々のシートの熱硬化性樹脂が加熱によって接合され、その状態で硬化し、所定厚さのＦＲＰ板となる。
芯材とこれに接面するプリプレグシートも、プリプレグシートの熱硬化によって一体化し、中実構造のロボットハンド部材が形成される。
【００２１】
請求項２に係るロボットハンド部材の製造方法は、炭素繊維を含むプリプレグシートを積層して矩形状断面とされたものを熱硬化させたＦＲＰ部材から成り、産業用ロボットのアーム部に取り付けられるロボットハンド部材を製造する方法において、所定温度以下では加熱非変形性を有し且つ上記ＦＲＰ部材より熱膨張率が大きい金属又は樹脂を用いて矩形状断面とされた芯材の外周面の４面それぞれに、最内層にはＰＡＮ系炭素繊維をその配向方向が芯材の長手方向に対して９０度に配向されたプリプレグシートを積層し、中間層には引張弾性率が上記ＰＡＮ系炭素繊維よりも高いピッチ系炭素繊維をその配向方向が芯材の長手方向に対して０度に配向されたプリプレグシートを積層し、最外層には二方向の炭素繊維が９０度で交わるように配向されたクロスプリプレグシートを巻掛けて被覆し、前記芯材の全外周面にプリプレグシートの積層部材を形成する積層工程と、前記積層工程で形成された積層部材を加熱し熱硬化させてＦＲＰ部材を形成する加熱工程と、前記ＦＲＰ部材から前記芯材を抜き取り中空構造とする芯材抜取工程と、を行うものである。
【００２２】
芯材は、ロボットハンドの形状に対応させて成形されており、ロボットハンド部材を成形する際の所謂中型として機能すべく、加熱工程における所定の加熱温度以下では変形しない性質を有し、且つ加熱硬化後のＦＲＰ部材から容易に抜き取れる材質のものを使用する。前記所定の加熱温度とは、例えば、プリプレグシートの加熱硬化処理における加熱温度である。
【００２３】
そして、請求項１に係る発明と同様、積層工程において芯材の外周面にプリプレグシートの積層体を形成し、かかる積層部材を加熱工程において加熱硬化させ、ＦＲＰ部材を形成する。
これによって、請求項１に係る発明と同様、縁部において隣接区分領域のプリプレグシート同士が接合された状態で加熱硬化し、芯材の外周面をパイプ状のＦＲＰ板で覆った状態のＦＲＰ部材が形成される。
【００２４】
その後、かかるＦＲＰ部材から、芯材を抜き取ることで、中空構造のロボットハンド部材が形成される。ここにおいて、芯材は、ＦＲＰよりも熱膨張率の高い材料を用いれば、熱硬化後に芯材を容易に抜き取ることができる。
【００２６】
請求項３に係るロボットハンド部材の製造方法は、請求項１又は２記載のロボットハンド部材の製造方法において、上記中間層にプリプレグシートを積層するのは、該プリプレグシートの炭素繊維の配向方向が芯材の長手方向に対して０度と９０度に配向されたものを含むものである。
【００２７】
【発明の実施の形態】
図１は、本実施形態に係るロボットハンド部材の製造方法によって製造されたロボットハンド１を示す。
このロボットハンド１は、産業用ロボットのアーム部の先端に取り付けられるものであり、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）、プラズマディスプレイパネル（ＰＤＰ）、半導体ウェハや精密機器等のワーク２を支持して搬送等を行う為に使用されるものである。
【００２８】
このロボットハンド１は、取付孔３を介して上記産業用ロボットのアーム部に取りつけられる取付部４と、その先端に固定取付されたロボットハンド部材１０を含んで構成される。
本実施形態に示すロボットハンド部材１０は、図２に示すように、例えば角パイプ形状等の中空構造体であり、軽量性、曲げ剛性、耐熱性等にすぐれたものとするために、繊維強化複合材料（ＦＲＰ）によって構成される。
【００２９】
かかるロボットハンド部材１０は、以下の工程によって製造される。
先ず、準備工程として、芯材２０と原形プリプレグシート３０を用意する。
芯材２０は、ロボットハンド部材１０の形状に対応させて成形されており、プリプレグシートを積層する際の所謂あて板として機能すべく、ある程度の剛性を有し、ロボットハンド部材を成形する際の所謂中型として機能すべく、加熱工程における加熱温度以下では変形しない性質を有し、且つ上記ＦＲＰ部材より熱膨張率が大きい金属又は樹脂を用いて矩形状断面とされており、加熱硬化後のＦＲＰ部材から容易に抜き取れる材質のものを使用する。かかる観点から、芯材の材質としては、例えば、アルミニウム、鉄、ステンレス等の金属や、ＭＣナイロン樹脂、ポリイミド樹脂等が適する。前記金属や樹脂等は、ＦＲＰより熱膨張率が大きい為、加熱後の冷却により収縮し、抜取り容易となる。又、必要に応じ、芯材の表面に離型材を施してもよい。離型材としては、スプレー等による薬剤（例えば、界面活性剤等）の塗布、或いはテフロン（登録商標）シート等の離形シートの使用など何れの方法でもよい。
【００３０】
尚、前記所定温度での加熱非変形性とは、後述の加熱工程での加熱温度では殆ど変形しないという性質を有するものを言う。前記加熱温度では殆ど変形しないとは、後述の加熱条件下で、芯材の材料が溶融したり、芯材の部材に反り、曲がり、撓み、捩れや皺、褶曲等の変形が生じないことを言う。又、前記所定温度とは、後述する原形プリプレグシートのマトリックス樹脂の熱硬化温度に応じ、例えば、約１００〜１９０℃以上の温度を言う。
【００３１】
この場合、芯材２０は、図４（ｂ）に示すように、断面が横長長方形状の角材であり、芯材の外周面は、４つの平面領域、即ち、上面２１、下面２２、左側面２３及び右側面２４に区分されている。
先ず、図４（ａ）に示すように、原形プリプレグシート３０を切断し、所定形状のプリプレグシート片３３を形成する。
【００３２】
プリプレグシート片３３とは、芯材２０の夫々の面（区分領域）に積層されるシートであり、芯材の夫々の面の寸法に合わせて切断される。断面が横長長方形状のロボットハンド部材１０において、プリプレグシート片３３は、上壁用３３ａ、下壁用３３ｂ、右側壁用３３ｃ、左側壁用３３ｄの４種類が必要となり、このうち、相対する壁面用のものは同一形状である。
【００３３】
原形プリプレグシート３０とは、図３に示すように、強化繊維３１をシート化したものにマトリックス樹脂３２を含浸させたものであり、未硬化状態のシートである。この場合、強化繊維３１には、剛性及び軽量性の観点から炭素繊維を使用する。しかし、炭素繊維以外にもガラス繊維、アラミド繊維、炭化珪素繊維等も使用可能である。即ち、例えば、積層される複数のプリプレグシートは、炭素繊維プリプレグシートを主体として使用し、ロボットハンド部材としての支持性能或いは搬送性能を損なわない限りで、前記ガラス繊維等、或いはその他の繊維を含むプリプレグシートを一部に加えることも可能である。
【００３４】
マトリックス樹脂３２としては、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、シアネート樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ポリイミド樹脂、ビスマレイミド樹脂等の熱硬化性樹脂を用いる。この場合、ゴム加硫等のような高温高湿環境に耐え得るものが好ましい。又、前記熱硬化性樹脂は、耐衝撃性、靱性を付与する目的で熱硬化性樹脂にゴムや樹脂からなる微粒子を添加したり、或いは熱硬化性樹脂に熱可塑性樹脂を溶解させたものを使用してもよい。
【００３５】
炭素繊維の種類としては、２３０〜４９０ＧＰａのＰＡＮ系のものと、４９０〜９５０ＧＰａのピッチ系のものがあるが、何れを用いてもよい。この場合、ピッチ系のものは弾性が高いという特徴を有し、ＰＡＮ系のものは引っ張り強度が高いという特徴を有する。
又、原形プリプレグシートとしては、強化繊維が同一方向に配向する一方向シートと、平織物、綾織物、朱子織物、三軸織物等のクロスシートとがある。
【００３６】
原形プリプレグシートは、強化繊維の種類を異ならせたり、マトリック樹脂に対する強化繊維の密度を異ならせたり、或いは強化繊維の配向状態を異ならせたりして、様々なタイプのものを用意しておき、ロボットハンド１の使用目的やロボットハンド部材１０の使用箇所に応じて、最適な曲げ剛性のＦＲＰ部材が形成されるように、使用すべき原形プリプレグシートを複数選択するのが好ましい。
【００３７】
尚、前記選択された全ての原形プリプレグシート３０についても、同様に所定寸法のプリプレグシート片３３を形成しておく。
次に、図４（ｂ）に示すように、芯材２０の各面に、プリプレグシート片３３を積層貼付する（積層工程）。
プリプレグシート片３３は未硬化状態であり、ある程度の粘着力を有するので、離型フィルムの貼られた芯材２０の上に、シートを順次重ね合わせていくだけで貼着される。
【００３８】
この場合、アイロン等で熱を掛けながら、下層のフィルムやシートに密着させ、所望の厚み（例えば、１〜７ｍｍ程度）になる迄、密着積層させる。この場合の所望の厚みとは、プリプレグシートが加熱硬化する際の体積減少分を見越し、ロボットハンド部材のＦＲＰ板の要求板厚よりも僅かに厚い程度が好ましい。
図５はプリプレグシート片３３の積層状態の一例を示したものであり、プリプレグシート片３３の長手方向に対して略直角に炭素繊維が配向（以下「９０°配向」という）する一方向シート３３０を最も内側（即ち、最下層）にして複数段積層し、その上面に、プリプレグシート片の長手方向に対して略平行に配向（以下「０°配向」という）する一方向シート３３１を複数段積層している。
【００３９】
この場合、上記シート片３３０、３３１に加え、斜め方向に配向（以下「４５°又は１３５°配向」という）する一方向シート、４５°と１３５°との２方向に配向するクロスプリプレグシート等を組み合せて積層してもよい。
この場合、０°配向シートは、長手方向の撓み防止性、及び振動減衰特性を有する。０°配向シートに９０°配向シートを組み合わせることによって、曲げ剛性、曲げ振動の振動減衰特性が向上されると共に、反りや撓み等が一層効果的に防止される。更に、４５°配向シートや１３５°配向シートを組み合わせることによって、捻じれ剛性や捻じれ振動減衰特性が一層向上される。クロスシートについては、一方向シートの上記組み合わせに準じた効果を有する。
【００４０】
尚、積層順序としては、９０°配向シートを最下層（最内側）とするのが、芯材の抜き取り易さの観点から好ましい。なぜならば、炭素繊維はマトリックス樹脂よりも熱収縮率が低い為、シートとしての収縮率は、繊維配向方向への収縮率の方が繊維配列方向への収縮率よりも低くなるので、パイプ状のＦＲＰ板の内側面を９０°配向シートによって構成することで、芯材の外周を囲むように強化繊維が配向することとなるので、熱硬化した際、パイプ状のＦＲＰ板が差程縮径しなくて済むからである。
【００４１】
又、上層に積層されるシートほど（即ち、外側のシートほど）、ロボットハンド部材の性状（即ち、曲げ剛性等）への寄与率が高いので、０°配向シートを９０°配向シートよりも上層に積層するのが、撓み防止性の観点から好ましい。
かかる点を考慮しつつ、使用すべきプリプレグシートの組み合わせ及び積層順序を決定する。
【００４２】
この様にして、芯材２０の全ての面にプリプレグシート片３３を積層貼付することで、芯材２０の外周面にプリプレグシートの積層体を形成した状態の積層部材４０が形成される。
その後、図４（ｃ）に示すように、積層部材４０の外周面に、クロスプリプレグシート３４を１回り或いは複数回り巻掛けて被覆する。（被覆工程）。
【００４３】
尚、クロスプリプレグシート３４とは、複数の方向に織り込んだ強化繊維に前記マトリックス樹脂を含浸させた未硬化状態のシートであり、強化繊維としては、織物状の炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維、或いは炭化珪素繊維等が好ましい。又、積層部材４０に密着させて被覆できるように、可撓性及び接着性の高いシートが好ましい。
【００４４】
そして、図４（ｄ）に示すように、クロスプリプレグシート３４で被覆された状態の積層部材４０に外型４１、４２、４３、４４を四方から押し付ける。
この場合の外型は、２枚のあて板４１、４２と、該２枚のあて板の間に介挿される２枚の厚み設定板４３、４４からなる。即ち、積層部材４０の上面と下面にあて板４１、４２を押し付け、積層部材４０の左右側面に厚み設定板４３、４４を押し付ける。
【００４５】
この状態の積層部材４０を真空バック４５に入れ、加熱することによって、ＦＲＰ部材５０が形成される。
この場合の加熱条件は、室温から２〜１０℃／ｍｉｎの割合で加熱昇温させ、約１００〜１９０℃で約１０〜１８０分間保持し、その後加熱を停止し自然冷却によって降温させて常温に戻す。
【００４６】
何れのプリプレグシート３３、３４も熱硬化性樹脂を含むので、夫々のシート面及びシート縁部において相互に貼着された状態で硬化する。
尚、積層部材４０を真空バック４５に入れるのは、積層工程で生じたシート間等の気泡を吸引するという目的と、積層部材４０に対して外圧（即ち、大気圧）を略均等に加える目的とがある。
【００４７】
又、積層部材４０に対して特定方向の外圧を加えてもよい。例えば、あて板４１、４２と厚み設定板４３、４４との間に間隙が生じないようにして、上方から重石等で押圧することによって、ロボットハンド部材１０の上面（即ち、ワーク支持面）の平坦性が向上したり、ロボットハンド部材１０の寸法（特に、厚み）精度が高くなったりするし、又、接合界面が相互に押しつけられる方向に万力等で押圧することによって、プリプレグシート片３３の縁部における接合性が向上したりする。
【００４８】
その後、図４（ｅ）に示すように、前記加熱工程によって形成されたＦＲＰ部材５０から、芯材２０を抜き取る（抜取工程）。
これによって、中空構造のロボットハンド部材１０が形成される。
本実施形態によれば、ロボットハンド部材１０は、ＦＲＰ無垢材としてではなく、中空構造体として構成されるので、ロボットハンド部材自体の体積を減少させること無く（即ち、厚みを薄くしたり幅を狭くすることなく）、軽量化を実現できる。よって、例えば、取付部材等に取付けられる長尺のロボットハンド部材の場合、自重或いはワークの荷重によって先端部に撓みや振動が生ずるのを防止でき、ワークの支持精度及び搬送精度を向上させることができる。
【００４９】
又、ロボットハンド部材１０の中空部分を、ワークを非接触支持する場合のエアーの供給路、ワークを吸着支持する場合の吸引路、或いは、ロボットハンド部材の先端等にセンサ等を取り付ける場合の配線路として利用することもできる。
本実施形態によれば、芯材２０に、プリプレグシートを積層する際の所謂あて板、及びロボットハンド部材１０を加熱成形する際の所謂中型としての２つの機能を担わせるので、ＦＲＰ板の形成（即ち、プリプレグシート片の積層）と、ロボットハンド部材の成形（即ち、隣接壁部のプリプレグシート片との相互接合）とを、同時に行うことができる。
【００５０】
従って、従来のＣＦＲＰ板からなるスキン層を成形した後、そのスキン層をコア層（即ち、芯材）に接合するという製造方法よりも、製造工程数が少なくてすむ。特に、ＣＦＲＰ板を形成する段階での自然冷却時間と、ロボットハンド部材を形成する段階での接着時間とが一体化されるので、製造所要時間を大幅に短縮できる。
【００５１】
又、積層部材４０の外周面をクロスプリプレグシート３４で被覆したので、切削や開孔等の後加工を行った際に加工部位に生ずる毛羽立ちやささくれ等を防止できる。これによって、加工性が向上される上、液晶ディスプレー、プラズマディスプレー、シリコンウェハ等の精密なワークを傷付ける心配が無いという利点をも有する。
【００５２】
又、クロスプリプレグシート３４による被覆によって、プリプレグシート片３３縁部の接合部位に生じるバリや段差等をカバーして美観を向上させたり、プリプレグシート片３３の接合部位の補強ができたり、といった利点もある。
尚、ロボットハンド部材の製造方法として、長尺のプリプレグシートを芯材の外周面に巻付けて積層するという方法も考えられる。かかる製造方法において、特に、本実施形態の如き角部を有する芯材にプリプレグシートを巻付け積層した場合は、各角部が外側に膨らんだ状態になり易い。この様な方法では、角部形状を維持させる為に、ロボットハンド部材の外面形状に合わせて成形された専用外型を、積層部材の外側から押しつけた状態で加熱する必要がある。
【００５３】
これに対し本実施形態の場合、角部が外側に膨らむといった事態が生じないので、前記の如き専用外型は必要なく、汎用型の外型（即ち、あて板や厚み設定板等）で充分である。特に、外型は、中型よりも一般的に大きく高価であるため、ロボットハンド部材の形状に合わせて個別に製造したり、種々の外型を取り揃えておくのはコストがかかるが、本実施形態の製造方法によれば、かかる不都合は少なく、ロボットハンド部材の設計変更に要するコストが抑えられ、設計の自由度が向上される。これによって、ユーザーの要求に合致したロボットハンド部材を迅速に製造できるようになり、納期を短縮できる。
【００５４】
又、中空構造のロボットハンド部材の製造方法としては、ロボットハンド部材の各壁面に合わせて形成された４面分のＦＲＰ板を、夫々の縁部にて相互に接着させるという方法も考えられる。
かかる製造方法と比較しても、本実施形態の方法は、ＦＲＰ板の縁部を接合するという接着工程が不要なので作業効率が高く、製造所要時間が短いという利点を有する。
【００５５】
又、ＦＲＰ板の縁部を接合するという作業自体が比較的煩雑であるので、上記方法によって製造されたロボットハンド部材は、寸法精度が低くなり易く、接着部分における強度が低くなりがちであるが、本実施形態では、芯材にプリプレグシートを貼り付けるという比較的簡単な作業でロボットハンド部材が形成できるので、かかる不都合を有しない。
【００５６】
尚、本発明において、ロボットハンド部材の断面形状としては、方形にかかわらず、三角形、多角形、円形或いは半円形状等でも構わない。
又、クロスプリプレグシートの積層工程は、必ずしも必要ではない。
第２実施形態に係るロボットハンド部材の製造方法は、図６に示すロボットハンド部材１００を製造する為の方法であり、このロボットハンド部材１００は、芯材１２０の全外周面にプリプレグシートの積層部材を形成して一体化し、芯材１２０を残存させている点で、第１実施形態に係るロボットハンド部材とは、相違する。
【００５７】
この場合、ロボットハンド部材１００の総重量を抑える為に、芯材１２０には、所定温度以下では加熱非変形性を有し且つ熱硬化されたプリプレグシートとの密着性が良好な樹脂を用いて矩形状断面とされ、ＦＲＰ部材よりも軽量な材料で構成された軽量部材を使用することとし、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、フェノール樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリイミド樹脂、ビスマレイミド樹脂、或いはこれらを組み合わせた材料、又はこれらの発泡材が適する。尚、芯材１２０は、プリプレグシート片１３３との密着性を向上するために、表面をサンドブラスト、サンドペーパー等による粗面化処理を行ってもよい。又、必要に応じて、接着剤の塗布を行ってもよい。
【００５８】
かかるロボットハンド部材１００の製造方法は、芯材抜取工程を省略した点を除き、プリプレグシート片１３３ａ、１３３ｂ、１３３ｃ、１３３ｄの積層工程、被覆工程、加熱工程等において、第１実施形態に係る製造方法と略同一である。
本実施形態において、前記エアーの供給路、前記吸引路、或いは前記配線路等を形成したい場合は、積層工程後の積層部材に溝を刻設したりチューブを埋め込んだ後、その施工部位にプリプレグシートを被せて加熱硬化させるといった手段を採用してもよいし、或いは、ＦＲＰ部材の所望の部位に、機械加工等によって溝を刻設したり、孔やネジ孔等を開設するといった後工程を施してもよい。
【００５９】
本実施形態では、芯材抜取工程が不要なので、製造所要時間を大幅に短縮できる。又、ロボットハンド部材１００に軽量な芯材１２０を残存させたので、中空構造のロボットハンド部材と無垢材の双方の不都合が解消される。
即ち、中空構造のロボットハンドの場合は、使用に伴って中央部分に窪み等の経時的変形が生ずるといった不都合や、従来型ロボットハンド部材（即ち、無垢材）からの切換えの際に、溝や孔の加工部位の設計変更が余儀なくされるといった不都合を有していたが、本実施形態の場合は、かかる不都合は生じない。
【００６０】
又、無垢材のロボットハンド部材と同等の体積を維持した状態で、部材総重量を軽くできるので、自重撓みに加えて荷重撓みも抑制できる。
第３実施形態に係るロボットハンド部材の製造方法は、図７に示すロボットハンド部材２００を製造する為の方法であり、このロボットハンド部材２００は、芯材２２０の一部の外周面にプリプレグシートの積層部材を形成して一体化して成り、芯材２２０の上面２２１と下面２２２に、プリプレグシート片２３３ａ，２３３ｂを積層している。尚、プリプレグシート片２３３ａ又は２３３ｂを積層する面は、芯材２２０の外周面のうち少なくとも上面の大部分とし、この場合、ワーク支持面となる上面２２１のみであってもよいし、上面２２１と側面の一部等であってもよい。
【００６１】
本実施形態に係る方法において、ロボットハンド部材２００としての形状が維持される為には、芯材２２０を残存させることに加えて、芯材２２０と最下層のプリプレグシート片との接合性が確保されることが必要となる。この場合、プリプレグシートの熱硬化によって接合性は確保される。
尚、本実施形態に適する、軽量性を有しプリプレグシートとの接合性の確保される芯材２２０の一例としては、被積層表面２２１、２２２に熱硬化性の接着剤を塗布した前記軽量部材、熱硬化性樹脂、ウレタン発泡体等が挙げられる。
【００６２】
かかるロボットハンド部材２００の製造方法は、積層工程において、芯材２２０の上側面２２１及び下側面２２２に、プリプレグシート片２３３ａ，２３３ｂを積層貼付する点を除き、被覆工程及び加熱工程において、第２実施形態に係る製造方法と略同一である。尚、加熱工程での外型としては、厚み設定板を省略しても構わない。
【００６３】
プリプレグシート片２３３ａ，２３３ｂと芯材２２０とは、加熱によって硬化し一体化され、中実構造のロボットハンド部材が形成できる。
本実施形態の製造方法によれば、第２実施形態の製造方法における効果に加え、プリプレグシートの使用量が少なくて済むので、材料コストを大幅に削減できるという効果を有する。
【００６４】
【実施例】
以下に、本発明に係るロボットハンド部材の製造方法によって製造されたロボットハンド部材の実施例及び比較例を、図８〜１０を参照して説明する。
（１）比較例
図８に示すロボットハンド部材の比較例は、従来方法によって製造されたＣＦＲＰ無垢材からなるロボットハンド部材であって、表１に、その製造数値例を示す。
【００６５】
この例は、約１５００ｍｍ×５０ｍｍのプリプレグシートを積層し熱硬化させることによって厚さ１２ｍｍのロボットハンド部材を形成したものである。この場合、引張弾性率２４０ＧｐａのＰＡＮ系炭素繊維を０°配向させたプリプレグＢシートの積層体の上下双方に、夫々、同炭素繊維を９０°配向させたプリプレグＢ’シートと、引張弾性率８００Ｇｐａのピッチ系炭素繊維を０°配向させたプリプレグＡシートとを所定枚数積層し、最外層に０°・９０°クロスプリプレグシートを貼付することによって形成された合計７層の積層体を、加熱硬化させたものである。
【００６６】
このロボットハンド部材の総重量は１．５３ｋｇとなり、取付部材に対して約１２００ｍｍ突出させて取付けた場合の先端部における自重撓みは、１．６ｍｍであった。
（２）第１実施形態に係る製造方法の実施例
図９に示す実施例は、第１実施形態の方法によって製造された中空構造のロボットハンド部材１０であって、表２に、その製造数値例を示す。
【００６７】
本実施例は、長さ１５００ｍｍ、幅３６ｍｍ、厚さ６．９ｍｍ程度の芯材２０の長手方向の４つの面に、夫々プリプレグシート片３３を積層したものを加熱硬化させ、その後、芯材２０を抜き取って製造されたものである。
この場合、芯材２０の上面２１及び下面２２に、約１５００ｍｍ×３６ｍｍの広幅プリプレグシート片３３ａ，３３ｂを積層した後、芯材２０の左右側面２３、２４に、両端の前記広幅プリプレグシート片の積層体の縁部に被さるように、約１５００ｍｍ×１１．５ｍｍの細幅プリプレグシート片を積層し、かかる積層部材４０を加熱硬化させる。
【００６８】
この場合、芯材２０の各面について、９０°配向のプリプレグＢ’シートを所定枚数積層し、その上層に０°配向のプリプレグＡシートを所定枚数積層することで積層部材４０を形成した後、その積層部材４０の外周面にクロスプリプレグシートを巻掛けて被覆し、加熱硬化させた後に芯材２０を抜き取ることで、ロボットハンド部材１０の厚さが約１２ｍｍ、ＣＦＲＰ板の厚さが約２．５５ｍｍの中空構造のロボットハンド部材１０を形成した。
【００６９】
ロボットハンド部材１０の総重量は０．７５ｋｇであり、前記自重撓みは、０．４７ｍｍであった。尚、ロボットハンド部材の中央部における厚みが１１．８ｍｍであり、端部における厚み（１２．０ｍｍ，１２．１ｍｍ）よりも若干窪んではいるが、ワークの支持性能及び搬送性能上の問題は無く、平面性は優れていた。
【００７０】
本実施例によれば、比較例に係るロボットハンド部材よりも、軽量で撓み防止性が高いことが理解できる。
（３）第２実施形態に係る製造方法の実施例
図１０に示す実施例は、第２実施形態の方法によって製造された中実構造のロボットハンド部材１００であって、表３に、その製造数値例を示す。
【００７１】
本実施例では、長さ１５００ｍｍ、幅３６ｍｍ、厚さ６．９ｍｍ程度の発泡ウレタン芯材１２０を用いた。
発泡ウレタン芯材１２０の上下面に、第１実施例と同一サイズの広幅プリプレグシート片１３３ａ，１３３ｂ及び細幅プリプレグシート片１３３ｃ，１３３ｄを夫々積層し、クロスプリプレグシート１３４を被覆した後、加熱硬化させ、ロボットハンド部材１００の厚さが約１２ｍｍ、ＣＦＲＰ板の厚さが約２．５５ｍｍの中実構造のロボットハンド部材１００を形成した。
【００７２】
尚、この場合のプリプレグシート１３３の積層状態も第１実施例の積層状態と同様である。
ロボットハンド部材１００の総重量は１．０６ｋｇであり、前記自重撓みは、０．７７ｍｍであった。
本実施例においても、比較例に係るロボットハンド部材よりも、軽量で撓み防止性が高いことが理解できる。
【００７３】
又、ロボットハンド部材１００の厚みは、端部においても中央部においても同一（１２．０ｍｍ）であり、実施例１の中空構造のロボットハンド部材１０よりも平坦性が格段に優れていることが理解できる。
【００７４】
【発明の効果】
請求項１に係る発明によれば、所定温度以下では加熱非変形性を有し且つ熱硬化されたプリプレグシートとの密着性が良好な樹脂を用いて矩形状断面とされた芯材の外周面の４面それぞれに、最内層にはＰＡＮ系炭素繊維をその配向方向が芯材の長手方向に対して９０度に配向されたプリプレグシートを積層し、中間層には引張弾性率が上記ＰＡＮ系炭素繊維よりも高いピッチ系炭素繊維をその配向方向が芯材の長手方向に対して０度に配向されたプリプレグシートを積層し、最外層には二方向の炭素繊維が９０度で交わるように配向されたクロスプリプレグシートを巻掛けて被覆し、前記芯材の全外周面にプリプレグシートの積層部材を形成し、この形成された積層部材を加熱し熱硬化させて前記芯材と一体化したＦＲＰ部材を形成して、中実構造のロボットハンド部材を製造することができる。
この場合、上記芯材は、所定温度以下では加熱非変形性を有し且つ熱硬化されたプリプレグシートとの密着性が良好な樹脂を用いて矩形状断面とされているので、該芯材の外周面の４面それぞれに積層されたプリプレグシートとの密着性を向上することができる。したがって、上記芯材に対して熱硬化されたＦＲＰ部材を強固に一体化して、中実構造の部材を製造することができる。また、上記芯材の外周面に複数層に巻き付けられる最内層のプリプレグシートは、ＰＡＮ系炭素繊維の配向方向が該芯材の長手方向に対して９０度とされており、さらに、中間層のプリプレグシートは、引張弾性率が上記ＰＡＮ系炭素繊維よりも高いピッチ系炭素繊維をその配向方向が芯材の長手方向に対して０度とされているので、熱硬化によりＦＲＰ部材とされた部材の長手方向の撓み防止や、振動減衰特性を向上することができる。さらにまた、最外層のプリプレグシートは、二方向の炭素繊維が９０度で交わるように配向されたクロスプリプレグシートとされているので、ロボットハンド部材の後加工として切削や研磨加工をしたときに毛羽立ちが少なく部材としての加工性を向上し、製品としての美観を向上することができる。これらのことから、熱硬化によりＦＲＰ部材とされた部材全体の曲げ剛性を向上することができ、ロボットハンド部材の寸法精度を向上することができる。また、芯材を有する中実構造のものにおいても、芯材としてＦＲＰ部材よりも軽量な樹脂を用いることにより軽量化を図ることができる。
【００７７】
請求項２に係る発明によれば、所定温度以下では加熱非変形性を有し且つＦＲＰ部材より熱膨張率が大きい金属又は樹脂を用いて矩形状断面とされた芯材の外周面の４面それぞれに、最内層にはＰＡＮ系炭素繊維をその配向方向が芯材の長手方向に対して９０度に配向されたプリプレグシートを積層し、中間層には引張弾性率が上記ＰＡＮ系炭素繊維よりも高いピッチ系炭素繊維をその配向方向が芯材の長手方向に対して０度に配向されたプリプレグシートを積層し、最外層には二方向の炭素繊維が９０度で交わるように配向されたクロスプリプレグシートを巻掛けて被覆し、前記芯材の全外周面にプリプレグシートの積層部材を形成し、この形成された積層部材を加熱し熱硬化させてＦＲＰ部材を形成し、このＦＲＰ部材から前記芯材を抜き取り中空構造としてロボットハンド部材を製造することができる。
この場合、上記芯材は、所定温度以下では加熱非変形性を有し且つＦＲＰ部材より熱膨張率が大きい金属又は樹脂を用いて矩形状断面とされているので、加熱硬化後には収縮してＦＲＰ部材から容易に抜き取ることができる。また、上記芯材の全外周面に複数層に巻き付けられる最内層のプリプレグシートは、ＰＡＮ系炭素繊維の配向方向が該芯材の長手方向に対して９０度とされているので、加熱硬化した際にＦＲＰ部材があまり縮径せず、芯材の抜き取りが容易である。したがって、中空構造のロボットハンド部材を容易に製造することができる。さらに、中間層のプリプレグシートは、引張弾性率が上記ＰＡＮ系炭素繊維よりも高いピッチ系炭素繊維をその配向方向が芯材の長手方向に対して０度とされているので、熱硬化によりＦＲＰ部材とされた材料の長手方向の撓み防止や、振動減衰特性を向上することができる。さらにまた、最外層のプリプレグシートは、二方向の炭素繊維が９０度で交わるように配向されたクロスプリプレグシートとされているので、ロボットハンド部材の後加工として切削や研磨加工をしたときに毛羽立ちが少なく部材としての加工性を向上し、製品としての美観を向上することができる。これらのことから、熱硬化によりＦＲＰ部材とされた部材全体の曲げ剛性を向上することができ、ロボットハンド部材の寸法精度を向上することができる。また、ＦＲＰ部材を用いて、アルミニウム材のロボットハンドよりも軽量で、平面性に優れ、曲げ剛性、振動減衰特性、耐熱性等に優れたロボットハンド部材を製造することができる。
【００７９】
請求項３に係る発明によれば、上記中間層にプリプレグシートを積層するのは、該プリプレグシートの炭素繊維の配向方向が芯材の長手方向に対して０度と９０度に配向されたものを含むことにより、熱硬化によりＦＲＰ部材とされた矩形状断面の部材の長手方向の撓み防止や、振動減衰特性を向上すると共に、部材全体の曲げ剛性や、曲げ振動の振動減衰特性を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係るロボットハンド部材の製造方法で製造されたロボットハンドの斜視図。
【図２】上記ロボットハンド部材の断面図。
【図３】上記ロボットハンド部材に使用される炭素繊維プリプレグシートの断面図。
【図４】本発明の実施形態に係るロボットハンド部材の製造方法を示す斜視図であり、（ａ）はプリプレグシート片を形成する状態、（ｂ）は芯材にプリプレグシート片を積層する状態、（ｃ）は積層部材にクロスプリプレグシートを被覆する状態、（ｄ）は、積層部材に外型を押し付けた状態、（ｅ）は芯材を抜き取る状態を示す。
【図５】上記プリプレグシート片の積層状態を示す斜視図。
【図６】本発明の第２実施形態に係るロボットハンド部材の製造方法で製造されたロボットハンド部材を示す斜視図。
【図７】本発明の第３実施形態に係るロボットハンド部材の製造方法で製造されたロボットハンド部材を示す斜視図。
【図８】本発明のロボットハンド部材の比較例として、ＣＦＲＰ無垢材からなるロボットハンド部材の製造数値例を示す表１。
【図９】本発明のロボットハンド部材の実施例として、中空構造のロボットハンド部材の製造数値例を示す表２。
【図１０】本発明のロボットハンド部材の実施例として、中実構造のロボットハンド部材の製造数値例を示す表３。
【符号の説明】
１０、１００、２００…ロボットハンド部材
２０、１２０、２２０…芯材
３０…原形プリプレグシート
３１…強化繊維
３３、１３３、２３３…プリプレグシート片
３４、１３４、２３４…クロスプリプレグシート
４０…積層部材
５０…ＦＲＰ部材
【図１】
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【図２】
0003632842.tif 000003
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
0003632842.tif 000007
【図７】
0003632842.tif 000008
【図８】
0003632842.tif 000009
【図９】
0003632842.tif 000010
【図１０】
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