抓持机构的制作方法

技术领域

本发明涉及一种抓持机构。

背景技术：

在具备卡盘的抓持机构中，存在因温度变化而导致被抓持体的抓持力下降的情况。因此，提出了通过弹簧的恢复力来抑制抓持力下降的套筒卡盘型抓持构造(例如，参照专利文献1)。

专利文献1：日本专利特开2008-178956号公报

技术实现要素：

[发明要解决的问题]

在日本工业规格中，作为具有其它构造的涡旋式抓持机构，规定了[B 6151-1993]。即使在涡旋式卡盘中，也存在因温度变化而导致抓持力下降的情况。然而，所述文献中记载的构造无法应用于涡旋式卡盘。

[解决问题的手段]

本发明的一形态提供一种抓持机构，具备：多个卡盘爪，在相互接近的情况下产生对被抓持体的抓持力；卡盘体，将多个卡盘爪保持在共同的平面上，并使它们在平面上移动；以及多个夹盘，在多个卡盘爪各自抓持被抓持体的情况下，介置在多个卡盘爪中的每一个与被抓持体之间；且多个卡盘爪的热膨胀系数α₁、多个夹盘的热膨胀系数α₂及被抓持体的热膨胀系数α_W之间具有下述式1所示的关系。

α_W＜α₁＜α₂ (式1)

附图说明

图1是抓持机构101的概略剖视图。

图2是抓持机构102的概略剖视图。

图3是表示被抓持体150的外径D_w与夹盘140的厚度d₀的关系的图表。

所述发明内容并非列举本发明的所有特征。这些特征群的次组合也可以另外成为发明。

具体实施方式

以下，通过发明的实施方式来对本发明进行说明，但下述实施方式并非限定权利要求书所相关的发明。实施方式中所说明的特征的组合未必全部为发明的解决手段。

图1是抓持机构101的示意性概略剖视图。抓持机构101是具有整体型的夹爪130的三爪卡盘(scroll chuck)，具有卡盘体110、夹爪130、夹盘140。另外，图示的抓持机构101抓持被抓持体150。被抓持体150例如为构成光纤母材的端部的玻璃圆棒。

卡盘体110具有圆盘状的外形。另外，卡盘体110通过固定螺栓162而连结于旋转驱动机构的旋转轴160，所述固定螺栓162在卡盘体110的中央于厚度方向上插通。

另外，卡盘体110内置未图示的卷轴作为驱动机构。卷轴具有朝向卡盘体110的一个面开口的螺旋状的槽。该槽与下述形成在夹爪130的端部的齿面134啮合。由此，如果从卡盘体110的外部供给驱动力而使卷轴旋转，那么在卡盘体110的直径方向移动的驱动力被传递到夹爪130。

进而，卡盘体110在所述一个面上保持多个夹爪130。多个夹爪130分别在卡盘体110的圆形面上等间隔地配置在圆周方向上。只要设置两个以上的夹爪130，那么抓持机构101便能够抓持被抓持体150，但像在抓持圆棒的端部的情况下，需设置三个以上的夹爪130。

多个夹爪130分别具有从卡盘体110突出的形状，且具有高强度及刚性。另外，夹爪130分别以能够在卡盘体110的直径方向上移动的方式保持在卡盘体110。进而，多个夹爪130分别在卡盘体110侧的端部，具有与卷轴啮合的齿面134。

当在卡盘体110中卷轴旋转的情况下，多个夹爪130一边维持与卡盘体110的一面所形成的圆为同心圆状排列的位置关系，一边沿着卡盘体110的表面移动。换句话说，当在卡盘体110中卷轴未旋转的情况下，与卷轴啮合的夹爪130相对于卡盘体110而固定。

由此，在多个夹爪130移动而相互接近的情况下，被抓持体150被抓持在间隔变窄的夹爪130之间。另外，在多个夹爪130移动而相互远离的情况下，被多个夹爪130抓持的被抓持体150被释放。

在抓持机构101中，在多个夹爪130各自的与被抓持体150对向的面上安装着夹盘140。各夹盘140通过螺钉142而固定于夹爪130。由此，在抓持机构101抓持被抓持体150的情况下，夹盘140被夹在多个夹爪130的每一个与被抓持体150之间。由此，通过更换夹盘140，能够更新夹爪130中相对于被抓持体150的接触面。

在关于作为抓持机构101的三爪卡盘的日本工业规格[B 6151-1993]中，规定了夹爪130应具有55HRC以上的硬度。由此，抓持机构101的夹爪130是以具有该规格所规定的强度的材料为材料而形成，例如，一般构造用钢、机械构造用碳钢、机械构造用合金钢等。一般构造用钢、机械构造用碳钢、机械构造用合金钢等钢铁材料的热膨胀系数为10～13×10^-6/K。

在抓持机构101中，包含卷轴的卡盘体110等除夹爪130以外的部件大多数情况下也是利用铸钢品、锻造品等而形成。这些材料也具有与一般构造用钢、机械构造用碳钢、机械构造用合金钢等相近的热膨胀系数。由此，包含卡盘体110及夹爪130的组装体具有整体上大致均匀的热膨胀系数。

在利用由如上所述材料而形成的三爪卡盘抓持由像合成石英、镍钢材等那样热膨胀系数低的材料而形成的被抓持体150的状态下产生温度变化的情况下，因抓持机构101与被抓持体150的热膨胀系数的差异，而存在抓持机构101对被抓持体150的抓持力下降的情况。如果抓持机构101中抓持力不足，那么有发生被抓持体150掉落的危险，从而会担心被抓持体150本身及包含抓持机构的设备损伤。

例如，在光纤用玻璃母材的制造步骤中，在通过抓持机构101抓持由合成石英形成的虚设棒等的状态下，吹送包含玻璃微粒子的火焰。因此，因通过被抓持体150而传递的热，抓持机构101的温度也会上升，但因为抓持机构101的热膨胀系数与玻璃母材的热膨胀系数大不相同，所以存在抓持机构101中的夹爪130的间隔扩大而导致抓持被抓持体150的力下降的可能性。

现在，对在抓持机构101抓持直径D_W的被抓持体150的状态下产生温度变化的情况进行研究。厚度分别为D₀的一对夹盘140夹持被抓持体150，各夹盘140安装于在相对于卡盘体110的中心对称的位置相互对向而配置的夹爪130上。将夹爪130的热膨胀系数设为α₁，将夹盘140的热膨胀系数设为α₂，将被抓持体150的热膨胀系数设为α_w。卡盘体110的热膨胀系数α₀与夹爪130的热膨胀系数α₁相等。

一对夹盘140夹持被抓持体150的最初的间隔d₁与被抓持体150的直径D_W相等。由此，在对向的夹爪130中，支撑夹盘140的背面的面136的间隔d₂能够像下述式2那样来表示。

d₂＝(2d₀+D_W) (式2)

接下来，在抓持被抓持体150的抓持机构101的温度发生变化，例如，温度上升的情况下，卡盘体110与夹爪130的组装体整体发生热膨胀，从而支撑夹盘140的背面的面136的间隔d₂发生变化。间隔d₂的每单位温度变化量的变化量Δd₂如下述式3所示。

Δd₂＝α₁(2d₀+D_w) (式3)

另外，关于各个夹盘140，每单位温度变化量的厚度d₀的变化量Δd₀能够像下述式4那样来表示。

Δd₀＝α₂d₀ (式4)

进而，因为各夹盘140安装在夹爪130上，所以关于抓持机构101中抓持被抓持体150的夹盘140的间隔d₁，每单位温度变化量的变化量Δd₁能够像下述式5那样来表示。

Δd₁＝2d₀(α₁－α₂)+α₁d₁ (式5)

另一方面，关于具有热膨胀系数α_W的被抓持体150的外径D_W，每单位温度变化的外径变化量ΔD_W能够像下述式6那样来表示。

ΔD_W＝α_wD_w (式6)

此处，如下述式7所示，只要所述式6所示的被抓持体150的外径变化量D_W大于夹盘140的间隔d₁的变化量Δd₁，那么即使产生温度变化，抓持机构101的夹盘140紧固被抓持体150的力也不会下降。

2d₀(α₁－α₂)+α₁D_w≦α_wD_w (式7)

所述式7能够着眼于夹盘140的厚度d₀而像下述式8那样加以变形。

d₀≦{D_W(α_W－α₁)}/{2(α₁－α₂)} (式8)

由此，在抓持机构101中，通过以满足所述式8的方式选择夹盘140的材料及厚度d₀，能够形成不会因温度变化而导致抓持力下降的抓持机构101。

但是，夹爪130的面136的间隔d₂等于或大于2个夹盘140的厚度的和2d₀。由此，在抓持机构101中，所述式8成立的前提是夹爪130的热膨胀系数α₁、夹盘140的热膨胀系数α₂及被抓持体150的热膨胀系数α_W具有下述式1所示的关系。

α_W＜α₁＜α₂ (式1)

此外，在使所述式8的条件成立的基础上，夹爪130的热膨胀系数α₁与夹盘140的热膨胀率α₂的差的绝对值越大，夹盘140的厚度d₀越厚。另外，能够在紧固力不下降的情况下抓持的被抓持体150的外径D_W的范围扩大。

更具体来说，如果考虑工业上能够作为夹爪130的材料利用的金属材料的热膨胀系数，那么在夹爪130的热膨胀系数α₁处于0.5～19.0×10^-6/K的范围内的情况下，夹盘140的热膨胀系数α₂优选处于16.0～24.0×10^-6/K的范围内。

进而，在所述说明中，假定包含卷轴等驱动机构的卡盘体110的热膨胀系数α₀与夹爪130的热膨胀系数α₁相等。然而，热膨胀系数α₀及α₁也可以不同。

然而，在卡盘体110的热膨胀系数α₀小于夹爪130的热膨胀系数的情况下，抑制了因温度变化所导致的间隔d₁变化。由此，能够使用厚度d₀更小、或热膨胀系数α₁更小的夹盘140。由此，卡盘体110的热膨胀系数α₀与夹爪130的热膨胀系数α₁更优选为存在满足下述式9的关系。

α₀≦α₁ (式9)

图2是表示抓持机构102的构造的概略剖视图，该抓持机构102具备与图1所示的抓持机构101的整体型夹爪不同的分体型夹爪130。抓持机构102除了如下所说明的方面以外，具有与图1所示的抓持机构101相同的构造。因此，对于共同的要素附上相同的参照符号并省略重复的说明。

在抓持机构102中，就多个夹爪130各自分别隔着基部120而安装在卡盘体110上这一点来说，具有与抓持机构101不同的构造。基部120具有与内置在卡盘体110中的卷轴啮合的齿面124，且配置在卡盘体110的一个圆形面上。

抓持机构102中的卡盘体110在一个面上保持多个基部120。多个基部120分别在卡盘体110的圆形面上等间隔地配置在圆周方向上。另外，夹爪130以能够在卡盘体110的直径方向上移动的方式保持于卡盘体110。

多个夹爪130分别具有从卡盘体110的一面突出的形状，且分别通过螺钉132而固定于多个基部120中的任一个。由此，当在卡盘体110中卷轴旋转的情况下，多个夹爪130一边维持与卡盘体110的一面所形成的圆为同心圆状排列的位置关系，一边与基部120一并在卡盘体110的直径方向上移动。另外，当在卡盘体110中卷轴未旋转的情况下，夹爪130隔着与卷轴啮合的基部120而固定于卡盘体110。

由此，与抓持机构101同样地，在多个夹爪130移动而相互接近的情况下，被抓持体150被抓持在间隔变窄的夹爪130之间。另外，在多个夹爪130移动而相互远离的情况下，被多个夹爪130抓持的被抓持体150被释放。此外，与抓持机构101同样地，多个夹爪130分别经由通过螺钉142固定的夹盘140而夹持被抓持体150。

在具有如上所述构造的抓持机构102中，基部120具有例如与卡盘体110相同的热膨胀系数α₀。由此，包含卡盘体110、基部120及夹爪130的组装体整体的热膨胀系数变得大致均匀。因此，通过使抓持机构102也满足与抓持机构101相同的条件，能够防止因温度变化所导致的抓持力的下降。

此外，多数物质的热膨胀系数会根据温度而发生变化。由此，关于热膨胀系数的所述一系列的条件理想为在使用抓持机构101、102的温度范围内得以满足。因此，例如，于在烧结光纤母材的烧结装置中使用抓持机构101、102的情况下，关于热膨胀系数的所述条件优选在室温(例如，0～30℃)以上且250℃以下的温度范围内得以满足。

[实验例]

在抓持机构101、102中，作为形成卡盘体110、基部120及夹爪130的材料，准备下述表1所示的材料。另外，在抓持机构101、102中，作为形成夹盘的材料，准备下述表2所示的材料。此外，一并表示250℃以下的温度范围内的热膨胀系数。

[表1]

[表2]

首先，作为形成卡盘体110、基部120及夹爪130的材料，从表1所示的材料中选择机械构造用碳钢的S45C(α₁：12.1×10^-6/K)。另外，作为夹盘140的材料，从表2所示的材料中选择铝合金的A5052(α₂：23.8×10^-6/K)。进而，为了对抓持力的变化进行评价，准备外径D_w为80mm的合成石英(α_w：0.6×10^-6/K)。

使用所选择的材料的热膨胀系数，计算在抓持被抓持体150的情况下满足所述式8的夹盘140的厚度d₀，并将夹盘140的厚度d₀与被抓持体150的外径的关系制成图表。将该图表示于图3中。

从图3明确可知，在被抓持体150的外径为80mm的情况下，不会因温度变化而导致对被抓持体150的抓持力下降的夹盘140的厚度d₀为39.3mm以上。由此，制作厚度40mm的夹盘140，并将它安装在抓持机构101、102上，对因温度变化所导致的抓持力的变化进行评价。

首先，在以所述材料及尺寸而制作的抓持机构101整体、及利用合成石英而形成的外径80mm的圆筒形的被抓持体150均为常温(298K)的状态下，使抓持机构101抓持被抓持体150。抓持机构101对被抓持体的抓持力的强度为即使利用人力使它在被抓持体150的圆周方向上旋转，被抓持体150也不会旋转。

接下来，将抓持机构101及被抓持体150整体加热到489K。在此状态下，想要利用与常温的情况相同的方法使被抓持体150旋转，但被抓持体150被抓持机构101牢固地抓持，而无法使被抓持体150旋转。此外，在对被抓持体150的抓持力进行评价的情况下，无论是常温的情况，抑或是高温的情况，均尝试利用戴上相同皮革制手套的手保持被抓持体150并使它旋转。

这样一来，即使温度发生变化，抓持机构101、102抓持被抓持体150的力也不会下降。由此，即使在温度变化激烈的环境或用途中，也能够稳定地抓持被抓持体150。

以上，使用实施方式对本发明进行了说明，但本发明的技术范围并不限定于所述实施方式中记载的范围。业者应当明确能够对所述实施方式加以各种变更或改良。由权利要求书的记载可明确，这种加以变更或改良的形态也可以包含在本发明的技术范围中。

权利要求书、说明书及附图中所示的装置、系统、程序及方法中的动作、顺序、步骤及阶段等各处理的执行顺序并未特别明示“在…之前”、“先于…”等，另外，应留意，只要不将之前的处理的输出用于之后的处理，那么就可按照任意的顺序实现。关于权利要求书、说明书及附图中的动作流程，即使为了方便起见而使用“首先，”、“其次，”等进行说明，也并非意指必须按该顺序实施。

[符号的说明]

101、102 抓持机构

110 卡盘体

120 基部

130 卡盘爪

132、142 螺钉

134 齿面

136 面

140 夹盘

150 被抓持体

160 旋转轴

162 固定螺栓