(57)【要約】【課題】生産性に優れ、比較的大型の積載物に対しても、容易に強度、剛性や重量等の要求仕様を満たすことができ、かつ、狭いスペースに対しても容易に挿入できるように全体寸法を簡単に最適化できる繊維強化プラスチック製支持バーとその製造方法を提供する。【解決手段】引抜成形された横断面形状が中空矩形の繊維強化プラスチック製角パイプから切り出された、支持バー全長にわたって延びる長尺角パイプと、該長尺角パイプの下部で根元部から該長尺角パイプよりは短く該長尺角パイプと平行に延びる短尺角パイプとが、接合により一体化されていることを特徴とする繊維強化プラスチック製支持バー、およびその製造方法。【選択図】図４
2012030469.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
長手方向の一端部である根元部を固定することにより水平方向に延びるように保持され、上面への所定の積載物を支持する繊維強化プラスチック製の支持バーであって、引抜成形された横断面形状が中空矩形の繊維強化プラスチック製角パイプから切り出された、支持バー全長にわたって延びる長尺角パイプと、該長尺角パイプの下部で前記根元部から該長尺角パイプよりは短く該長尺角パイプと平行に延びる短尺角パイプとが、接合により一体化されていることを特徴とする繊維強化プラスチック製支持バー。
【請求項２】
上面に前記所定の積載物を支持した状態にて、前記長尺角パイプの先端における撓み量Ｙａおよび前記短尺角パイプの先端における撓み量Ｙｂが、下記式を満たしている、請求項１に記載の繊維強化プラスチック製支持バー。
Ｙａ≦Ａ−Ｈ
Ｙｂ≦Ｂ−２Ｈ
Ａ：長尺角パイプの先端における高さ方向支持バー存在許容寸法
Ｂ：短尺角パイプの先端における高さ方向支持バー存在許容寸法
Ｈ：引抜成形された繊維強化プラスチック製角パイプの高さ
【請求項３】
支持バーを構成する前記長尺角パイプおよび短尺角パイプの少なくとも一方において、角パイプの先端部側における角パイプの下面が水平方向に延びる下面と該下面から斜め上方に向けて延びる下面とから形成されている、請求項１または２に記載の繊維強化プラスチック製支持バー。
【請求項４】
前記寸法Ａと、前記根元部における高さ方向支持バー存在許容寸法Ｃとが、支持バーの使用環境に応じて予め設定されており、前記寸法Ｂに関する下端位置が、前記寸法Ａに関する下端位置と前記寸法Ｃに関する下端位置とを結ぶ線上に設定されている、請求項２または３に記載の繊維強化プラスチック製支持バー。
【請求項５】
前記引抜成形された繊維強化プラスチック製角パイプが、少なくとも一部に長手方向に配向された強化繊維を含んでいる、請求項１〜３のいずれかに記載の繊維強化プラスチック製支持バー。
【請求項６】
前記引抜成形された繊維強化プラスチック製角パイプの強化繊維として炭素繊維を含んでいる、請求項１〜５のいずれかに記載の繊維強化プラスチック製支持バー。
【請求項７】
平板状の基板を互いに間隔をもたせて上下方向に配列した状態で収容し得る基板用カセットから各基板を水平方向に出し入れする際に使用される支持バーからなる、請求項１〜６のいずれかに記載の繊維強化プラスチック製支持バー。
【請求項８】
横断面形状が中空矩形の繊維強化プラスチック製角パイプを引抜成形し、成形した角パイプから、支持バー全長にわたって延びる長尺角パイプと該長尺角パイプよりは短い短尺角パイプを切り出し、２本の角パイプを、短尺角パイプが長尺角パイプの下部で支持バーの根元部から長尺角パイプと平行に延びるように配置して接合により一体化することを特徴とする、繊維強化プラスチック製支持バーの製造方法。
【請求項９】
前記横断面形状が中空矩形の繊維強化プラスチック製角パイプを引抜成形する際に、成形ライン上で長尺角パイプに相当する長さと短尺角パイプに相当する長さとで交互に切断する、請求項８に記載の繊維強化プラスチック製支持バーの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、繊維強化プラスチック製支持バーおよびその製造方法に関し、とくに、比較的大型の基板を互いに間隔をもたせて上下方向に配列した状態で収容し得る基板用カセットから各基板を水平方向に出し入れする際に使用されるフォーク用の支持バーとして好適な繊維強化プラスチック製支持バーとその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
上面への積載物を支持して工程間の移送等に使用する支持バーは、各種分野に必要とされている。例えば、液晶ディスプレイパネル等の製造プロセスにおいて、工程間におけるガラス基板の移動やストックのために、特許文献１〜４には比較的大型のガラス基板を互いに間隔をもたせて上下方向に複数枚配列した状態で収容し得るバックサポート方式の基板カセットが開示されている。このような方式の基板カセットでは、各基板を下面側から支持した状態でカセットの前面側から出し入れする必要があり、基板出し入れ時の支持のために、カセットの前面側から奥側に向けてフォーク状に延びる支持バーが使用されて基板間のスペースに挿入され、この支持バーがロボット等のハンドとして操作される。基板カセットにおける基板の収容効率を高めるために、通常、上下に配列される基板間の間隔は必要最小限に抑えられているので、大型の支持バーを使用することは困難な場合が多く、また、支持バーの操作上、重量の大きいものは不利である。とくに、大型の基板に対しては、強度、剛性が高く、極力軽量な支持バーが要求される。
【０００３】
このような要求に応えるためには、支持バーの構成材料として、強度、剛性が高くしかも軽量な材料である繊維強化プラスチックが最適と考えられる。例えば特許文献５には、繊維強化プラスチックから形成した、本発明における支持バー部分に相当するロボットハンド部材が記載されているが、このロボットハンド部材の各構成部材の長さ方向の寸法やその割合等に関する指針の開示はない。また、成形方法として、プリプレグを積層する方法しか具体的な記載がなく、かつ、各単位構成部材の結合もプリプレグの積層によっており、この部材の生産性は良くない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−１３８８５８号公報
【特許文献２】特開２００５−３４０４８０号公報
【特許文献３】特開２００４−２７３６８６号公報
【特許文献４】特開２００７−１９６６１５号公報
【特許文献５】特開２００２−３０７３６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
そこで本発明の課題は、生産性に優れ、比較的大型の積載物に対しても、容易に強度、剛性や重量等の要求仕様を満たすことができ、かつ、狭いスペースに対しても容易に挿入できるように全体寸法を最適化できる、繊維強化プラスチック製支持バーおよびその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明に係る繊維強化プラスチック製支持バーは、長手方向の一端部である根元部を固定することにより水平方向に延びるように保持され、上面への所定の積載物を支持する繊維強化プラスチック製の支持バーであって、引抜成形された横断面形状が中空矩形の繊維強化プラスチック製角パイプから切り出された、支持バー全長にわたって延びる長尺角パイプと、該長尺角パイプの下部で前記根元部から該長尺角パイプよりは短く該長尺角パイプと平行に延びる短尺角パイプとが、接合により一体化されていることを特徴とする支持バーからなる。
【０００７】
また、本発明に係る繊維強化プラスチック製支持バーの製造方法は、横断面形状が中空矩形の繊維強化プラスチック製角パイプを引抜成形し、成形した角パイプから、支持バー全長にわたって延びる長尺角パイプと該長尺角パイプよりは短い短尺角パイプを切り出し、２本の角パイプを、短尺角パイプが長尺角パイプの下部で支持バーの根元部から長尺角パイプと平行に延びるように配置して接合により一体化することを特徴とする方法からなる。
【０００８】
このような本発明に係る繊維強化プラスチック製支持バーとその製造方法においては、連続成形が容易な引抜成形により、一様な中空矩形の横断面形状を有する繊維強化プラスチック製角パイプが作製され、それが長尺角パイプと短尺角パイプの２種類の長さの角パイプに切り出される。そして、長尺角パイプを上側に、短尺角パイプを下側に位置させて、上記根元部から平行に延びるように配置されて、両角パイプが接合により一体化されることにより支持バーが構成されている。引抜成形された１種類の繊維強化プラスチック製角パイプから支持バー全体を形成できるので、支持バーの製造が容易になり、生産性に極めて優れている。このような優れた生産性を確保しつつ、支持バーへの要求仕様を満たす全体構成とすることができる。すなわち、支持バー全体は根元部で固定される片持ち支持の形態を採るが、根元部から短尺角パイプの先端までの短尺角パイプが接合一体化された部分では、断面が２つの角パイプの一体化構成となって断面剛性が増大されることになるので、この部分の長さ、つまり、短尺角パイプの長さにより、支持バー全体の撓み量を調整することが可能となる。換言すれば、長尺角パイプの長さは、使用場所からの要求仕様によりある所定長さに決められてしまうが、短尺角パイプの長さはその所定長さに制限されずに設定することが可能であり、その短尺角パイプの長さを適切に設定することにより、支持バー全体の撓み量、つまり、長尺角パイプの先端における撓み量や短尺角パイプの先端における撓み量を、望ましい撓み量に調整することが可能になる。したがって、矩形横断面形状を有する繊維強化プラスチック製角パイプの高い強度、剛性の特性を活かしつつ、短尺角パイプの長さを必要最小限の長さに設定することが可能になり、それによって支持バー全体の寸法を最適化して、支持バー全体の重量を小さく抑えることができるとともに、狭いスペースに対しても容易に挿入できる支持バーの全体寸法の実現が可能となる。
【０００９】
このような本発明に係る繊維強化プラスチック製支持バーにおいては、上面に上記所定の積載物を支持した状態にて、上記長尺角パイプの先端における撓み量Ｙａおよび上記短尺角パイプの先端における撓み量Ｙｂが、下記式を満たしていることが好ましい。
Ｙａ≦Ａ−Ｈ
Ｙｂ≦Ｂ−２Ｈ
ここで、
Ａ：長尺角パイプの先端における高さ方向支持バー存在許容寸法
Ｂ：短尺角パイプの先端における高さ方向支持バー存在許容寸法
Ｈ：引抜成形された繊維強化プラスチック製角パイプの高さ
である。ここで支持バー存在許容寸法とは、その支持バー部位において、あらゆる使用条件にて他の部材に干渉したり使用上の不都合を生じたりすることなく支持バーが存在し得る最大範囲を表す寸法のことを言う。
【００１０】
このような条件を満たすことにより、所定の積載物を支持し支持バーが撓んだ状態にて、支持バーの外形存在位置を、とくに、長尺角パイプの先端部の下端存在位置と短尺角パイプの先端部の下端存在位置を、支持バーの存在可能範囲（支持バーの動作可能範囲）内に納めることができ、使用場所に応じた支持バーへの要求仕様を満たすことが可能になる。もちろん、この支持バーの存在可能範囲は、支持バーが多少変動しても不都合な接触等が発生しないだけの余裕を持たせて設定されている。
【００１１】
この場合、とくに角パイプの先端における高さ方向支持バー存在許容寸法を何らかの理由で大きく確保できない場合などには、支持バーを構成する前記長尺角パイプおよび短尺角パイプの少なくとも一方において、角パイプの先端部側における角パイプの下面が水平方向に延びる下面と該下面から斜め上方に向けて延びる下面とから形成されている形態とすることができる。このように構成すれば、斜め上方に向けて延びる下面部の構造により角パイプの先端における高さ方向支持バー存在許容寸法を縮小することが可能になり、支持バーが撓んだときのその先端部における他部材との干渉などの不都合の発生を回避できるようになる。
【００１２】
また、上記寸法Ａと、前記根元部における高さ方向支持バー存在許容寸法Ｃとは、支持バーの使用環境に応じて、つまり使用場所に応じた支持バーへの許容スペースによって予め設定されることになるが、一例として、上記寸法Ｂに関する下端位置（つまり、支持バーが無負荷の水平方向延在状態から積載物の負荷により撓んだ場合に短尺角パイプの先端における下端部位が下方に変位可能な位置）が、上記寸法Ａに関する下端位置と上記寸法Ｃに関する下端位置とを結ぶ線（つまり、通常、支持バーの存在可能範囲（動作可能範囲）を画定する線と考えられる）上に設定されていると、所定の積載物を支持したときに長尺角パイプの先端部の下端と短尺角パイプの先端部の下端とが同時に支持バーの存在可能範囲の限界に到達するような設定も可能となる。換言すれば、長尺角パイプの先端部の下端と短尺角パイプの先端部の下端とが同時に撓み量の許容限界位置に到達するような設定も可能となる。このような設定条件は、短尺角パイプの必要最小限の長さを設定することともなり、長さ寸法の最適化の基準とすることが可能である。このような寸法の最適化、とくに、短尺角パイプの長さの最適化により、支持バー全体の外形寸法の最小化と全体重量の最小化が可能になる。ただし現実には、短尺角パイプはこの最小長さよりも長ければ先端の撓み量が許容限界以内に抑えられるので、若干の安全をみて、上記の最小長さを基準に僅かに長く設定し、撓み量と総重量の両方を適切な望ましい条件に設定することが好ましいと考えられる。
【００１３】
また、本発明に係る繊維強化プラスチック製支持バーにおいては、上記引抜成形された繊維強化プラスチック製角パイプが、少なくとも一部に長手方向に配向された強化繊維を含んでいることが好ましく、全体にわたって長手方向に配向された強化繊維を含んでいることがより好ましい。このように長手方向に配向された強化繊維を含むことにより、繊維強化プラスチック製角パイプの長手方向における曲げ剛性の向上が可能になり、支持バー各部位における撓みを小さく抑えることが可能になる。長手方向に配向された強化繊維は、長手方向に連続的に延びる連続繊維であることが好ましい。
【００１４】
本発明において、上記引抜成形された繊維強化プラスチック製角パイプの強化繊維の種類としては特に限定されないが、高強度、高剛性で軽量な支持バーが要求される場合には、その要求を満たすために、繊維強化プラスチック製角パイプがとくに炭素繊維を含んでいることが好ましい。ただし、ガラス繊維やアラミド繊維などの他の強化繊維からなる構成、炭素繊維とこれら他の強化繊維とのハイブリッド構成も可能である。また、繊維強化プラスチックのマトリックス樹脂の種類も特に限定されず、代表的なマトリックス樹脂として熱硬化性樹脂、とくにエポキシ樹脂が挙げられる。
【００１５】
また、本発明に係る繊維強化プラスチック製支持バーの適用場所等についても特に限定されず、本発明に係る支持バーは、前述したような基板用カセット、つまり平板状の基板を互いに間隔をもたせて上下方向に配列した状態で収容し得る基板用カセットにおいて、その基板用カセットを構成する支持バーとして用いてもよいが、特に、前述したような基板用カセットから各基板を水平方向に出し入れする際に使用される支持バーとして好適なものであり、中でも、大型の基板用カセットからの基板の出し入れの際に用いて好適なものである。
【００１６】
また、上記本発明に係る繊維強化プラスチック製支持バーの製造方法においては、例えば、上記横断面形状が中空矩形の繊維強化プラスチック製角パイプを引抜成形する際に、成形ライン上で長尺角パイプに相当する長さと短尺角パイプに相当する長さとで交互に切断するようにすることもできる。このように切断すれば、支持バーを構成する所定の長尺角パイプと短尺角パイプのセットを連続的に作製できるので、支持バーの生産性を一層高めることが可能になる。
【発明の効果】
【００１７】
このように、本発明に係る繊維強化プラスチック製支持バーおよびその製造方法によれば、引抜成形された中空矩形横断面形状を有する１種類の繊維強化プラスチック製角パイプから所望の強度、剛性を備えかつ軽量な支持バーを作製できるので、生産性に極めて優れている。そして、実質的に単に短尺角パイプの長さを適切に設定するだけで、使用場所からの撓み量の制限等の要求仕様を容易に満たすことができ、最適な形態の支持バーを簡単に実現できる。したがって、比較的大型の基板用カセットからの基板の出し入れの際に用いて最適な支持バーが容易に得られることになる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明に係る繊維強化プラスチック製支持バーを製造する場合の最適化設計手法の一例の説明のための支持バーの概略構成図である。
【図２】材料力学的モデルによる計算の説明のための支持バーの概略構成図である。
【図３】最適化による結果の説明のための支持バーの概略構成図である。
【図４】図１に示した繊維強化プラスチック製支持バーの変形例を示す概略斜視図である。
【図５】実施例の説明のための支持バーの概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下に、本発明の実施の形態に関し、とくに本発明に係る繊維強化プラスチック製支持バーの最適化設計手法の例と、実施例について説明する。
図１は、引抜成形された横断面形状が中空矩形の炭素繊維強化プラスチック製角パイプから切り出した長尺角パイプ２と短尺角パイプ３から、本発明に係る繊維強化プラスチック製支持バー１を製造する場合の最適化設計手法の一例を示している。本例は、例えば基板カセットからの基板の出し入れに用いるロボットフォークを構成する支持バーとして製造した例を示している。最適化設計は、以下に説明する条件を満たすときの、支持バー全体としての体積最小化を目標として実施した。
【００２０】
図１に示すように、根元端(本発明の根元部における固定端)から１１０ｍｍは金属根元部におけるロボット等への嵌合部で動かない固定部と仮定し、撓み等を考慮する設計対象からはずした。設計対象としての支持バー１の全長を２３６０ｍｍとした(上記固定部を含めた全長は２４７０ｍｍ)。
最適化の計算条件：
（１）設計変数：使用角パイプの高さ：Ｈ
使用角パイプの厚さ：Ｔ
短尺角パイプの長さ：Ｌ
（２）初期設定条件：角パイプの幅：Ｗ（＝４０ｍｍ）
高さ方向支持バー存在許容寸法：
先端部における許容寸法Ａ：２５ｍｍ以内
根元部における許容寸法Ｃ：３０ｍｍ以内
（３）制約条件：積載物の荷重付与後の撓みにより、支持バーが図１に示した点線（上記先端部における支持バーの存在許容寸法Ａの下端位置と根元部における許容寸法Ｃの下端位置とを結んだ線）より外に出ないこと。すなわち、以下の２条件とした。
条件（１）：Ｙａ≦Ａ−Ｈ
条件（２）：Ｙｂ≦Ｂ−２Ｈ
ここで、Ｙａは支持バー先端における（つまり、長尺角パイプ２先端位置における）撓み量、Ｙｂは支持バーの短尺角パイプ３先端位置における撓み量である。
（４）目的関数：支持バー全体の体積最小化
（５）計算手法：図２に示すような材料力学的モデルを設定し、以下に説明するような計算手法により実施した。計算に際しては、最適化ソフトにより変数組み合わせを最適化した。最適化後、有限要素法により結果を確認した。このような最適化による結果を図３に示す。
【００２１】
なお、図２に示した記号を含む材料力学的モデルによる計算は、次のように行った。
梁の先端をx=0とした撓み基本式は以下の数１のようになる。
【００２２】
【数１】
2012030469.tif 000003
【００２３】
ここで断面２次モーメントＩ１、Ｉ２は以下の数２で表される。
【００２４】
【数２】
2012030469.tif 000004
【００２５】
X=Lでy=0,dy/dx=0、X=aで前記式(1)(2)の撓み、撓み角が連続であることから、各係数は以下の数３のように決まる。
【００２６】
【数３】
2012030469.tif 000005
【００２７】
このとき、位置Ａ、Ｂにおける撓み量Disp_A,Disp_Bは以下の数４で表される。
【００２８】
【数４】
2012030469.tif 000006
【００２９】
位置Ａにおける撓み量Disp_Aは位置Ｂにおける撓み量Disp_Bに比べ、数４の下線部項だけが異なる。すなわち、これが数５に示すように形状差Ｈと同じであれば、位置Ａ、Ｂでの上面から下端までの変形量は同じになる。
【００３０】
【数５】
2012030469.tif 000007
【００３１】
上記のような最適化計算の結果、図３に示すように、支持バー１への要求仕様を満たしつつ、図3に示す角パイプを使用した場合に支持バー１の体積（重量）を最小化できる短尺角パイプ２の長さＬは１１２０ｍｍとなった。根元部１１０ｍｍを含む最適化後の体積は７１０ｃｍ３となり、重量は約１．１２ｋｇとなった。
【００３２】
なお、前述したように、支持バーを構成する角パイプの先端における高さ方向支持バー存在許容寸法を大きく確保できない場合などには、例えば、図４に示すように、支持バー１ａを構成する長尺角パイプ２ａおよび短尺角パイプ３ａの少なくとも一方において（図示例では両方において）、角パイプの先端部側における角パイプの下面が水平方向に延びる下面２１ａ、３１ａと該下面２１ａ、３１ａから斜め上方に向けて延びる下面２１ｂ、３１ｂとから形成されている形態とすることができる。このような形態を採用すれば、とくに斜め上方に向けて延びる下面部２１ｂ、３１ｂの構造により角パイプの先端における高さ方向支持バー存在許容寸法を縮小することが可能になり、支持バー１ａが撓んだときの先端部における他部材との干渉などの不都合の発生をより確実に回避できるようになる。
【実施例】
【００３３】
次に、上記のような最適化計算結果を参照しながら、実際に図５（Ａ）に示すような寸法（単位：ｍｍ）を有する、長尺角パイプ１２と短尺角パイプ１３からなる支持バー１１を製造した。繊維強化プラスチックの強化繊維として炭素繊維を使用し、炭素繊維として、東レ(株)製「トレカ」T300-3Kを用いた平織りクロス（198g/m2）およびM46Jを用い、マトリックス樹脂としてエポキシ樹脂を用いて、引抜成形法により矩形断面の繊維強化プラスチック製角パイプを成形した。角パイプの寸法は、外形の幅40mm×高さ12mm、内形の幅36mm×高さ8mm、肉厚2mm、長さ2470mmとした。また、根元部から接着する短尺角パイプ用として、長さ1230mmおよび1070mmの2種類を用意した。
【００３４】
この長さ1230mmの角パイプを長さ2470mmの角パイプの根元側より接着したものをＡタイプの支持バーとした。Ａタイプの根元側を固定し、2470mmの長さに積載物としてのガラス基板の重量（2205g）が均等に負荷された場合を想定して、角パイプ先端の撓み量を調べた。 2470mm長さの長尺角パイプの先端では、約13mmの撓み量となった。また、接着された1230mm長さの短尺角パイプの先端では、約3.5mmの撓み量であった。その結果、両角パイプの先端でのたわみ量の差は、約9.5mmであり、角パイプの高さが12mmであるので、1230mmの短尺角パイプの先端が垂直方向で最も低い位置となった。このようなＡタイプの支持バー１１ａの撓み形態の模式図を図５（Ｂ）に示す。
【００３５】
また、長さ1070mmの短尺角パイプを長さ2470mmの長尺角パイプの根元側より接着したものをＢタイプとし、Ａタイプと同様に撓み量を調べたところ、2470mm長さの長尺角パイプの先端では約15mmとなり、Ａタイプと比べ、たわみ量が約2mm増加してしまった。しかし、1070mm長さの短尺角パイプの先端の撓み量は、約3mmであり、その差が約12mmとなった。これは丁度、角パイプの高さと同等であり、両角パイプの先端が垂直方向でほぼ同じとなる。このようなＢタイプの支持バー１１ｂの撓み形態の模式図を図５（Ｃ）に示す。
【００３６】
このような製造方法によれば、1種類の断面形状を持つ角パイプを、効率の良い引き抜き成形法により成形し、２種類の長さにカットし接着することで好適な支持バーを得ることができる。長尺側の角パイプの長さは、積載するガラス基板の大きさやカセットのサイズにより決定され、調節は困難であるが、短尺側の角パイプの長さは調節可能であり、それにより、撓み量を最適に調整できることを確認できた。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
本発明に係る繊維強化プラスチック製支持バーおよびその製造方法は、あらゆる分野の支持バーに適用でき、とくに、基板カセットからの基板の出し入れ用に使用して好適なものである。
【符号の説明】
【００３８】
１、１ａ、１１、１１ａ、１１ｂ  支持バー
２、２ａ、１２  長尺角パイプ
３、３ａ、１３  短尺角パイプ
２１ａ、３１ａ  水平方向に延びる下面
２１ｂ、３１ｂ  斜め上方に向けて延びる下面
【図１】
2012030469.tif 000008
【図２】
2012030469.tif 000009
【図３】
2012030469.tif 000010
【図４】
2012030469.tif 000011
【図５】
2012030469.tif 000012