JP2009184053A - ロボットハンド用フォーク - Google Patents

Abstract

【課題】軽量で、高剛性なロボットハンド用フォークを提供すること。
【解決手段】中空構造の棒状部材を有し、前記棒状部材は長手方向に対する側壁面に１または複数の開口部を持つロボットハンド用フォークであって、前記開口部の周囲に補強構造体を設けることにより、開口部周囲の変形を抑え、高剛性を実現するロボットハンド用フォークを得ることが可能となる。
【選択図】 図３

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。

液晶表示装置やプラズマディスプレイ、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、図１のような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。

ロボットハンドは、例えば図１に示すように、搬送用ロボットハンドフレーム２と、それに取り付けられたロボットハンド用フォーク１からなる。搬送時はロボットハンド用フォークの上にガラス基板３を載置、固定し、ロボットハンドを移動する。ロボットハンド用フォーク１は、載置したガラス基板をガラス基板加工装置内に収めたり、ガラス基板加工装置からガラス基板を持ち上げたりする動きが要求される。特に、ロボットハンド用フォーク１ごとガラス基板加工装置内に入れてガラス基板を所定位置に載置する必要があるため、ロボットハンドフレーム２に片持ち梁として取り付けられることがほとんどである。

ロボットハンド用フォークは、ひとつの搬送用ロボットハンドフレームに２本から６本取り付けられている。搬送するガラス基板の大きさが大きくなるほど、取り付けるフォーク本数を増加させたり、フォーク自身を長尺化させたりして対応している。

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いる。搬送するガラス基板の大きさは、最新の第１０世代では３０００ｍｍ四方の略正方形、重量は３０ｋｇ程度にまでなっている。ガラス基板の固定法としては、吸着パッドをロボットハンド用フォークに内蔵して吸着させるのが一般的である。

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、ガラス基板を支持または搬送する際に振動が増大したり、ガラス基板が落下したり、ガラス基板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、軽量かつ高剛性なロボットハンド用フォークの構造が模索されており、たとえば、特許文献１では中空断面内部に長手方向にリブを配置した構造を採ることが提案されている。しかし、特許文献２にあるように、ロボットハンド用フォークは搬送物を固定するための吸着パッドなどを備えることが一般的であり、そのためにロボットハンド用フォークの表面に開口部を設ける必要がある。この開口部において長手方向のリブなどの構造は途切れてしまうために、剛性向上の効果は限定的になってしまうという問題があった。
特許第３６３２８４６号公報 特開２００６−２８９５９１号公報

本発明の目的は、上記の問題に対して軽量かつ高剛性なロボットハンド用フォークを提供することにある。

上記課題に対し各種検討した結果、本発明者はロボットハンド用フォークに荷重がかかり変形する際に、開口部周辺で断面がつぶれる向きに変形すること、開口部周辺での変形が全体の変形量に与える影響が大きいことの２点を見出した。そこで、開口部周辺の変形を抑える構造について考察し、本発明に想到した。

すなわち、
（１）中空構造の棒状部材を有し、前記棒状部材は長手方向に対する側壁面に１または複数の開口部を持つロボットハンド用フォークであって、前記開口部の周囲に補強構造体を設けたことを特徴とするロボットハンド用フォーク。

また、本発明の好ましい形態によれば、以下の発明が含まれることも好ましい態様である。

（２）前記棒状部材が繊維強化プラスチックであることを特徴とする前記（１）に記載のロボットハンド用フォーク。

（３）前記繊維強化プラスチックは、一方向に配向させた複数本の繊維間に樹脂を含浸させたプリプレグが複数積層された構成を含むことを特徴とする前記（２）に記載のロボットハンド用フォーク。

（４）前記補強構造体が、前記開口部の周囲に貼り付けた補強板であることを特徴とする前記（１）から（３）のいずれかに記載のロボットハンド用フォーク。

（５）前記補強構造体が、開口部周囲に設けたリブであることを特徴とする前記（１）から（３）のいずれかに記載のロボットハンド用フォーク。

（６）前記補強構造体は、開口部周囲を増厚させたものであることを特徴とする前記（１）から（３）のいずれかに記載のロボットハンド用フォーク。

（７）前記増厚部分は、前記棒状部材と異なる繊維配向になるように前記プリプレグが積層されていることを特徴とする前記（６）に記載のロボットハンド用フォーク。

（８）前記補強構造体は、前記棒状部材と異なる繊維配向になるように前記プリプレグが積層されたものであることを特徴とする前記（１）から（３）のいずれかに記載のロボットハンド用フォーク。

（９）前記補強構造体が、開口部周囲にリング状部材を嵌合させた構造体であることを特徴とする前記（１）から（３）のいずれかに記載のロボットハンド用フォーク。

本発明によれば、軽量で、大型のガラス基板等を載荷させてもたわみ量の少ない高剛性なロボットハンド用フォークを得ることができる。

従来、搬送用ロボットハンドフレーム２に用いられるロボットハンド用フォーク１の構造として、図２に示すような、中空構造の棒状部材１ａであり、ガラス基板３等の搬送物を固定する吸着パッド等を配置するために側壁面に１または複数の開口部４が設けられた構造が知られている。

棒状部材１ａの材質としては、金属、プラスチック、繊維強化プラスチック等を用いることができるが、軽量性、高剛性という特性を満たすためには、繊維強化プラスチックからなることが好ましい。

繊維強化プラスチックとは、炭素繊維などの強化繊維をエポキシ樹脂やポリエステル樹脂などのプラスチックに含浸させて、プラスチック単体の物性より優れた物性を発現させたプラスチックである。プラスチックには、上記した、エポキシ樹脂、ポリエステル樹脂のほか、ビニルエステル樹脂、フェノール樹脂などの熱硬化性樹脂や、ポリプロピレン樹脂、ポリアミド樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリエーテルイミド樹脂などの熱可塑性樹脂が使用される。強化繊維は、炭素繊維やガラス繊維などの無機繊維や、アラミド繊維、高強度ポリエチレン繊維、ＰＢＯ繊維などの有機繊維が好適に用いられる。

繊維強化プラスチックの一例としては、炭素繊維とエポキシ樹脂とを組み合わせたＣＦＲＰ（炭素繊維強化プラスチック）が挙げられる。なかでも、炭素繊維とエポキシ樹脂とを重量比で４：６〜７：３の割合で組み合わせたＣＦＲＰは、単位重量当たりの剛性、強度が最も高く、本発明に使用するには最も好ましい材料である。ちなみに、一般的な炭素繊維の弾性率は、２００〜８００ＧＰａ、強度は３ＧＰａ〜８ＧＰａであり、軽金属の代表であるアルミニウムの弾性率７０ＧＰａ、強度０．２〜０．８ＧＰａを大きく上回る。

繊維強化プラスチック部材の成形法としては、例えば複数本の繊維を一方向に配向させた繊維基材を準備し、この繊維基材に未硬化の樹脂をあらかじめ含浸させたシートであるプリプレグを積層する方法、繊維基材を型内に入れ樹脂を注入する方法、短く切断した繊維を樹脂中に分散させ型内で流動させ成形する方法などがある。このうち、プリプレグを積層する方法は強度や弾性率などの力学特性に優れており、本発明でもっとも好ましい成形法である。プリプレグは繊維基材に樹脂を含浸させた中間基材であり、この繊維基材は繊維を一方向に引きそろえたものであっても織物基材であってもよい。

本発明においては、この材料は繊維方向強度が他方向の強度よりも高い異方性を持つ材料なので、棒状部材１ａの長手方向が繊維方向となるよう一方向に配向させることが好ましい。なお、本発明にいう一方向とは、棒状部材１ａの長手方向に対して、配向させた繊維が±５°の範囲に揃えられた状態にあることをいう。

このように製造されたＣＦＲＰとアルミニウムの比重を比較すると、アルミニウムの比重が２．７であるのに対し、ＣＦＲＰの構成要素である炭素繊維の比重は１．５〜２．０程度、プラスチックの比重は１．５以下であるため、ＣＦＲＰ全体としてもアルミニウムの比重２．７より軽くすることができる。このように、繊維強化プラスチックは、金属より軽量で高弾性、高強度を実現した材料である。

次に、棒状部材１ａの開口部４周辺での変形を抑えるために、開口部４の周囲に設けた補強構造体について説明する。

開口部４の周囲の補強構造体として、図３のように開口部４の周囲に補強板５を貼り付ける方法を採ることができる。補強板５は、金属板、樹脂板、繊維強化プラスチック板などを用いることができる。貼り付け方法は接着、溶着、溶接、ロウ付け、機械的接合等を用いることができる。補強板５は、棒状部材１ａの外表面に貼り付けると成形作業上簡便に取り付けられる。また、内側中空部に貼り付けると棒状部材１ａの外形寸法に対して影響が少なく、ロボットハンドの既存の動作用コントロールプログラムを流用することが可能になる。もちろん外側と内側の両方に補強板５を貼り付けてもよい。

補強板５の板厚は、０．２ｍｍから１０ｍｍの範囲とすると、重量増と剛性向上のバランスから効果が大きいという点で好ましい。補強板５の大きさは、開口部４の形状から外に１５０ｍｍオフセットした領域のすべてもしくは一部を被うことが好ましい。補強板５の外周部は応力集中を避けるためにテーパー状に薄くなっていてもよい。

また、開口部４の周囲の補強構造体として、図４のように開口部４の周囲にリブ６を設けることができる。リブ６を開口部４から中空断面内側に向かって立設させると、棒状部材１ａの外形寸法に対して影響が少なく、既存のコントロールプログラムをそのまま流用することが可能になる。また、リブ６を開口部４から外側に向かって立設させると、リブ寸法に対して剛性向上の効果が大きくできる。もちろん、内側と外側の両面にリブ６を立設してもよい。リブ６の高さは０．５ｍｍから２０ｍｍの範囲が重量増と剛性向上のバランスから効果が大きいという点で好ましい。リブ６の板厚は０．５ｍｍから棒状部材１ａの板厚の１．２倍までの範囲が重量増と剛性向上のバランスから効果が大きいという点で好ましい。

また、開口部４の周囲の補強構造体として、図５のように開口部４の周囲の板厚を他の部分の板厚よりも厚くする方法を採ることができる。増厚部７の板厚増加分は０．２ｍｍから１０ｍｍの範囲が重量増と剛性向上のバランスから効果が大きいという点で好ましい。増厚部７の領域の大きさは、開口部４の形状から外に１５０ｍｍオフセットした領域のすべてもしくは一部を被うことが好ましい。

また、棒状部材１ａが繊維強化プラスチックからなるとき、開口部４の周囲の繊維配向や積層枚数など積層構成を他の部分と変えることにより、補強構造体とすることができる。図６のように開口部４を囲むように連続した繊維８を配置すると、開口部４の変形を抑えることができる点で好ましい。

また、開口部４の周囲の補強構造体として、図７のように開口部４の形状に沿ったリング状部材９を嵌合させることにより、開口部４を形成する方法を採ることができる。リング状部材９は、金属、樹脂、繊維強化プラスチックなどを用いることができる。リング状部材９の厚さは、棒状部材１ａの板厚の０．８倍から３倍の範囲が好ましい。

本発明は、上記に説明した態様以外にも、下記のように変形して実施することができる。なお、本発明は、これらの説明に何ら限定されるものではない。

開口部４の周囲の補強構造体は、複数の開口部４がある場合、それぞれの開口部４の周囲での補強構造体の寸法が異なっていてもよい。棒状部材１ａの根元に近い開口部４の周囲には、肉厚を厚くした補強板５や、高さを高くしたリブ６や、繊維８の本数を増やした積層構成などの大きな補強構造体を取り付け、先端に近い開口部４の周囲で小さな補強構造体を取り付けると、より効果的に軽量高剛性な構造が得られ最適である。また、より大きな力のかかる根元側の開口部４を小さくすることにより、開口部４の周辺の変形を抑えることもできる。

（実施例１）
外形の幅１００ｍｍ、高さ３０ｍｍの矩形中空断面を持ち、長さ３，０００ｍｍの棒状部材を製作した。板厚は２．３ｍｍとした。弾性率２３０ＧＰａ,引張強度３．１ＧＰａの炭素繊維でフィラメント数３，０００本の糸条からなる目付２００ｇ／ｍ^２の平織クロス材（東レ（株）製Ｃ０６３４３）にエポキシ樹脂を含浸したプリプレグＡ（繊維目付２００ｇ／ｍ^２、樹脂重量含有率３０％、樹脂硬化温度１２０℃）と、弾性率７９０ＧＰａ,引張強度１．５ＧＰａの炭素繊維を一方向に引きそろえてエポキシ樹脂を含浸したプリプレグＢ（三菱化学産資（株）製ＨＹＥ２５Ｍ８０Ｄ、繊維目付２５０ｇ／ｍ^２、樹脂体積含有率３４％、樹脂硬化温度１２０℃）を用い、最内層と最外層にプリプレグＡを各１層、中間層にプリプレグＢを９層、繊維方向は棒状部材の長手方向に配向する向きに配置した積層構成とした。棒状部材の上面に一辺５０ｍｍの正方形形状の開口部を５箇所設けた。開口部の中心位置は棒状部材の根元からそれぞれ、９５０ｍｍ、１，４５０ｍｍ、１，９５０ｍｍ、２，４５０ｍｍ、２，９５０ｍｍである。

棒状部材に設けた開口部外表面を囲むように、板厚０．５ｍｍのアルミ合金からなる補強板を２液型構造用エポキシ接着剤で接着して、ロボットハンド用フォークとした。補強範囲は開口部の周囲８．３ｍｍの領域である。
（実施例２）
開口部周囲の補強構造体以外は実施例１と同構造の棒状部材の開口部外表面を囲むように、板厚０．５ｍｍのステンレスからなる補強板を２液型構造用エポキシ接着剤で接着して、ロボットハンド用フォークとした。補強範囲は開口部の周囲８．３ｍｍの領域である。
（実施例３）
開口部周囲の補強構造体以外は実施例１と同構造の棒状部材に、開口部に沿って高さ５ｍｍ、板厚２．３ｍｍのリブを外向きに配置して、ロボットハンド用フォークとした。リブの材質、構成は棒状部材と同様に設定した。
（実施例４）
開口部周囲の補強構造体以外は実施例１と同構造の棒状部材に、開口部周囲の補強構造体として、部分的にプリプレグの積層数を増加させた。開口部の周囲８．３ｍｍの領域で、プリプレグＢの積層数を３枚増加し、板厚を０．６ｍｍ増加させて、ロボットハンド用フォークとした。繊維方向は棒状部材の長手方向に配した。
（実施例５）
実施例４と同様に開口部の周囲でプリプレグの積層数を増加させて、ロボットハンド用フォークとした。ただし、繊維方向については、図６のように開口部を一周囲む配向となるように配した。
（実施例６）
開口部周囲の補強構造体以外は実施例１と同構造の棒状部材の開口部周囲に、補強構造体としてステンレスからなる板厚２．３ｍｍ、幅８．３ｍｍのリング状部材を嵌合して、ロボットハンド用フォークとした。
（実施例７）
実施例１と同じ外形の棒状部材において、本体の板厚を２．２ｍｍに変更したものを用意し、開口部周囲の補強構造体は実施例２と同じステンレス補強板を接着して、ロボットハンド用フォークとした。
（比較例）
開口部周囲の補強構造体以外は実施例１と同構造の棒状部材で、開口部周囲を補強しないロボットハンド用フォークを用意した。

以上の実施例と比較例のロボットハンド用フォークについて、重量と曲げ剛性を表１に示す。表１での重量と曲げ剛性は、比較例の重量と曲げ剛性に対しての相対値である。

各実施例とも重量の増加分に比して曲げ剛性の増加分が大きく、軽量高剛性な構造を得られることがわかる。また、実施例７のように重量の増加分をロボットハンド用フォーク本体部分の板厚を減らすことにより相殺させると、変更前と同程度の剛性でより軽量な構造を採ることも可能である。

本発明は、ガラス基板搬送用に限らず、シリコン基板搬送用や、プレス加工用の金属板の搬送用のロボットハンド用フォークにも応用することができる。その応用範囲はこれらに限られるものではない。

基板搬送用ロボットハンドの概略図である。 従来のロボットハンド用フォークの斜視図である。 開口部周囲の補強構造体として補強板を貼り付けた構造を採用したロボットハンド用フォークの斜視図である。 開口部周囲の補強構造体としてリブを採用したロボットハンド用フォークの斜視図である。 開口部周囲の補強構造体として板厚増加を採用したロボットハンド用フォークの斜視図である。 開口部を囲むように繊維を配置した概略図である。 開口部周囲の補強構造体としてリング状部材を採用したロボットハンド用フォークの斜視図である。

符号の説明

１ ロボットハンド用フォーク
１ａ 棒状部材
２ 搬送用ロボットハンドフレーム
３ ガラス基板
４ 開口部
５ 補強板
６ リブ
７ 増厚部
８ 繊維
９ リング状部材

Claims (9)

1. 中空構造の棒状部材を有し、前記棒状部材は長手方向に対する側壁面に１または複数の開口部を持つロボットハンド用フォークであって、前記開口部の周囲に補強構造体を設けたことを特徴とするロボットハンド用フォーク。
2. 前記棒状部材が繊維強化プラスチックであ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。
3. 前記繊維強化プラスチックは、一方向に配向させた複数本の繊維間に樹脂を含浸させたプリプレグが複数積層された構成を含むことを特徴とする請求項２に記載のロボットハンド用フォーク。
4. 前記補強構造体が、前記開口部の周囲に貼り付けた補強板であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のロボットハンド用フォーク。
5. 前記補強構造体が、開口部周囲に設けたリブであることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のロボットハンド用フォーク。
6. 前記補強構造体は、開口部周囲を増厚させたものであることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のロボットハンド用フォーク。
7. 前記増厚部分は、前記棒状部材と異なる繊維配向になるように前記プリプレグが積層されていることを特徴とする請求項６に記載のロボットハンド用フォーク。
8. 前記補強構造体は、前記棒状部材と異なる繊維配向になるように前記プリプレグが積層されたものであることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のロボットハンド用フォーク。
9. 前記補強構造体が、開口部周囲にリング状部材を嵌合させた構造体であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のロボットハンド用フォーク。

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