JP2005154908A - フィラメントワインディング装置の給糸ユニット及びフィラメントワインディング装置並びに構造体の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】駆動源なしで、拡幅された繊維束を安定して被繊維束巻付け部材に巻き付けることができるフィラメントワインディング装置の給糸ユニットを提供する。
【解決手段】給糸ユニット15は、フィラメントワインディング装置への取付け部22に対して支持部23が回転可能に支持されている。支持部23は一対の支持壁23ａを有し、支持壁23ａには被繊維束巻付け部材の回転に伴って引き出される繊維束Ｆをガイドする出口ガイド25が、取付け片26を介して支持されている。出口ガイド25は支持部23の回転中心軸Ｏ１側に凹となるように湾曲した形状のガイド面25ａを有し、ガイド面25ａの繊維束Ｆが通過可能な範囲内に、回転中心軸Ｏ１からの距離が最も遠い箇所が存在する。支持部23には出口ガイド25の繊維束Ｆの引き出し方向上流側に、繊維束Ｆを拡げる作用を有する拡幅ガイド28ａ，28ｂが設けられている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、フィラメントワインディング装置の給糸ユニット及びフィラメントワインディング装置並びに構造体の製造方法関する。

ＦＲＰ（繊維強化プラスチック）製のパイプや容器（タンク）等の構造体を効率よく形成する方法としてフィラメントワインディング法がある。フィラメントワインディング法では一般に、マンドレルをその両端に突設された軸部で把持して所定の速度で回転させ、該マンドレルに対して樹脂を含浸させた繊維束を、マンドレルの軸方向に沿って往復移動する繊維束ガイド部材を介して巻き付ける。そして、フィラメントワインディング装置として、繊維束の巻付けに際して、マンドレルの回転角とガイド部材の移動量とをエンコーダで検出し、両者の動きをフィードバック制御することにより、軌跡及び巻付け量を精度良く制御できるようにした装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

フィラメントワインディング装置において、円筒の両端に半球状のドーム部を備えた形状のタンクを生産する場合は、タンクと同様な形状のライナの表面に繊維束が巻き付けられる。繊維束の巻付けパターンとして、ヘリカル巻、パラレル巻及びレーベル巻がある。ヘリカル巻は、図６（ａ）に示すように繊維束Ｆがライナ５０の軸線に対して斜めに巻き付けられ、パラレル巻は図６（ｂ）に示すように繊維束Ｆがライナ５０の軸線に対してほぼ９０°に巻き付けられる。また、レーベル巻は図６（ｃ）に示すように繊維束Ｆがライナ５０の中心軸５０ａとほぼ平行に近くなるように、ライナ５０にたすき掛けに巻き付けられる。

フィラメントワインディング装置に装備された繊維束ガイド部材は、一般に図７に示すように、ガイドパイプ５１にベアリング５２を介して回転可能に被回転伝達部５３が支持されている。被回転伝達部５３には、先端に繊維束案内部としてのフィードアイ５４ａを有するアーム５４が、その基端において被回転伝達部５３の端面に固定されている。アーム５４の途中には繊維束Ｆを扁平にする作用を為すローラ５５ａ，５５ｂが設けられている。そして、図示しない繊維束供給部から供給される繊維束Ｆがガイドパイプ５１を経て引き出され、フィードアイ５４ａを通って被繊維束巻付け部材へと扁平化された状態で送り出される。アーム５４は、繊維束Ｆが被回転伝達部５３の回転中心と一致する状態でフィードアイ５４ａと係合しつつ送り出される位置にフィードアイ５４ａを位置させるように、先端側が屈曲されている。

そして、前記形状のライナに対する繊維束の巻き付けを円滑に行うには、フィードアイ５４ａは、ライナの胴部、即ち両端部より大径で径が一定な部分（円筒部）と対向する状態では基準位置に保持され、端部と対向する状態では基準位置から回動された位置に配置される必要がある。そのため、被回転伝達部５３がモータ（図示せず）により回転されるようになっている。

また、フィラメントワインディング装置の繊維束ガイド部材として、成形素材（樹脂含浸繊維束）の幅分を考慮した直径の異なるコロを糸出し本数に対応して配置したデリバリーアイが提案されている（特許文献２参照。）。そして、このデリバリーアイはフープ巻を行う場合と、ヘリカル巻を行う場合とで、コロの回転軸が９０度異なるように回転させた位置に保持される。
特開昭６１−５５０７３号公報（明細書の１，３頁、図１，４） 特開平６−４７８２３号公報（明細書の段落［０００７］〜［０００９］、図１〜図４）

従来の繊維束ガイド部材は、被繊維束巻付け部材に繊維束を巻き付ける際に、巻き付け角度によってフィードアイやデリバリーアイの向きを変更するために駆動源（モータ等）を必要とし、装置が大型化する。また、生産性向上のため複数本の繊維束を被繊維束巻付け部材に同時に巻き付ける場合には、繊維束ガイド部材を繊維束の本数に対応して設ける必要がある。しかし、フィードアイやデリバリーアイの向きを変更するために駆動源（モータ等）を必要とする構成では、可動部の重量増や制御の煩雑化を招き、高速化に不利となる。

本発明は、前記従来の問題に鑑みてなされたものであって、その第１の目的は、出口ガイドを回転させる駆動源なしで、拡幅された繊維束を安定して被繊維束巻付け部材に巻き付けることができるフィラメントワインディング装置の給糸ユニットを提供することにある。また、第２の目的は、前記給糸ユニットを備えたフィラメントワインディング装置を提供することにある。また、第３の目的は、前記フィラメントワインディング装置を使用した繊維強化樹脂（ＦＲＰ）製の構造体の製造方法を提供することにある。

前記第１の目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、被繊維束巻付け部材を支持して回転させながら、繊維束を前記被繊維束巻付け部材の表面に巻き付けるフィラメントワインディング装置の給糸ユニットである。そして、前記被繊維束巻付け部材の回転に伴って引き出される繊維束に接触して繊維束をガイドする出口ガイドを支持する支持部が、フィラメントワインディング装置への取付け部に対して回転可能に支持されている。前記出口ガイドは前記支持部の回転中心軸に対して偏心した位置にガイド面が存在する。

この発明では、出口ガイドを支持する支持部がフィラメントワインディング装置への取付け部に対して回転可能に支持され、出口ガイドは支持部の回転中心軸に対して偏心した箇所にガイド面が存在する。従って、被繊維束巻付け部材の回転に伴って引き出される繊維束から出口ガイドに対して前記回転中心軸を含む平面と交差する方向への力が作用するとその力によって支持部が回転され、モータ等の駆動手段を設ける必要がない。

請求項２に記載の発明は、被繊維束巻付け部材を支持して回転させながら、繊維束を前記被繊維束巻付け部材の表面に巻き付けるフィラメントワインディング装置の給糸ユニットである。そして、前記被繊維束巻付け部材の回転に伴って引き出される繊維束に接触して繊維束をガイドする出口ガイドを支持する支持部が、フィラメントワインディング装置への取付け部に対して回転可能に支持されている。前記出口ガイドは前記支持部の回転中心軸側に凹となるように湾曲した形状のガイド面を有し、前記ガイド面の前記繊維束が通過可能な範囲内に前記回転中心軸からの距離が最も遠い箇所が存在する。

この発明では、出口ガイドを支持する支持部がフィラメントワインディング装置への取付け部に対して回転可能に支持され、出口ガイドは支持部の回転中心軸に対して偏心した箇所にガイド面が存在する。従って、被繊維束巻付け部材の回転に伴って引き出される繊維束から出口ガイドに対して前記回転中心軸を含む平面と交差する方向への力が作用するとその力によって支持部が回転され、モータ等の駆動手段を設ける必要がない。そして、ガイド面が支持部の回転中心軸側に凹となるように湾曲した形状のため、支持部が回転しても繊維束は回転中心軸からの距離が最も遠い箇所において安定した状態で引き出される。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の発明において、前記ガイド面の前記回転中心軸と直交する平面との交線の各点における曲率半径が、前記ガイド面の前記回転中心軸からの距離が最も遠い箇所における曲率半径以下に形成されている。この発明では、繊維束が支持部に回転力を付与する方向に引き出される際、繊維束は前記回転中心軸からの距離が最も遠い箇所に円滑に移動し、その箇所において安定して引き出される。

請求項４に記載の発明は、請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の発明において、前記出口ガイドは回転体形状に形成され、前記回転体の中心軸を回転中心として回転可能に設けられている。この発明では、出口ガイドが回転可能なため、出口ガイドが固定状態の場合に比較して繊維束が引き出される際に繊維束に加わる抵抗が小さくなる。

請求項５に記載の発明は、請求項２又は請求項３に記載の発明において、前記出口ガイドは、前記ガイド面の前記回転中心軸と直交する平面との交線の曲率が一定に形成されている。従って、この発明では、出口ガイドは円弧状あるいは円環状に形成すればよく、出口ガイドを曲率が変化する放物線状や楕円状に形成する場合に比較して製作が容易になる。

請求項６に記載の発明は、請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載の発明において、前記支持部には前記出口ガイドの繊維束引き出し方向上流側に、繊維束を拡げる作用を有する拡幅ガイドが設けられている。この発明では、拡幅ガイドで拡げられた繊維束が出口ガイドで案内されて幅が安定した状態で被繊維束巻付け部材に巻き付けられる。

請求項７に記載の発明は、請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載の発明において、前記支持部及び該支持部に支持されている部材の全体の重心が前記支持部の回転中心に一致している。従って、この発明では、繊維束から支持部に回転力が付与される状態になると支持部が確実に回転され、繊維束に無理な力が加わらず出口ガイドにより繊維束が円滑に案内される。

請求項８に記載の発明は、請求項１〜請求項７のいずれか一項に記載の発明において、前記繊維束は、樹脂が含浸された繊維束である。この発明では、樹脂が含浸されていない状態の繊維束を被繊維束巻付け部材の表面に巻き付けた後、樹脂の含浸、硬化を行う場合に比較して、繊維束に必要量の樹脂を均一に含浸させるのが容易になる。

前記第２の目的を達成するため、請求項９に記載の発明のフィラメントワインディング装置は、請求項１〜請求項８のいずれか一項に記載の給糸ユニットを備えている。この発明では、請求項１〜請求項８のいずれか一項に記載の給糸ユニットを使用した場合と同様な作用効果を奏する。

請求項１０に記載の発明は、請求項９に記載の発明において、前記給糸ユニットは複数備えられている。この発明では、給糸ユニットが複数設けられているため、生産性が向上する。また、モータ等の駆動手段を設けることなく繊維束が引き出される力で支持部が回転されるため、給糸ユニットが複数設けられていてもフィラメントワインディング装置として給糸ユニットの配置スペースの確保が容易となる。

第３の目的を達成するため、請求項１１に記載の発明は、全体又は外郭が繊維強化樹脂により回転体形状に形成された構造体の製造方法である。そして、請求項９又は請求項１０に記載のフィラメントワインディング装置を使用して被繊維束巻付け部材に樹脂が含浸された繊維束をヘリカル巻層及びレーベル巻層の少なくとも一方の巻層を含むように巻き付ける工程と、巻き付けられた繊維束に含浸された樹脂を硬化させる工程とを備えている。ここで、「被繊維束巻付け部材」とは、筒状の構造体を製造する際に使用するマンドレルや容器（タンク）を製造する際のライナ等、フィラメントワインディング装置のチャックに支持されて回転されてその外周に繊維束が巻き付けられるものを意味する。

従って、この発明では、ＦＲＰ製のパイプや容器（タンク）を製造する際、請求項９又は請求項１０に記載のフィラメントワインディング装置を使用するため、繊維束の巻付けが円滑に行われ、品質が安定する。

請求項１２に記載の発明は、全体又は外郭が繊維強化樹脂により回転体形状に形成された構造体の製造方法である。そして、請求項９又は請求項１０に記載のフィラメントワインディング装置を使用して被繊維束巻付け部材に樹脂が含浸されていない繊維束をヘリカル巻層及びレーベル巻層の少なくとも一方の巻層を含むように巻き付ける工程と、巻き付けられた繊維束に樹脂を含浸させる工程と、巻き付けられた繊維束に含浸された樹脂を硬化させる工程とを備えている。この発明では、繊維束が巻き付けられた後、樹脂が繊維束に含浸される点が請求項１１に記載の発明と異なるが、繊維束を巻き付ける際の作用、効果は同様である。

本発明によれば、給糸ユニットを回動させる駆動源なしで、拡幅された繊維束を安定して被繊維束巻付け部材に巻き付けることができる。

（第１の実施形態）
以下、本発明を具体化した第１の実施形態を図１〜図３に従って説明する。図１（ａ）は給糸ユニットの概略斜視図、（ｂ）は給糸ユニットと被繊維束巻付け部材との位置関係を示す模式図、（ｃ）は出口ガイドの作用を説明する模式図である。図２はフィラメントワインディング装置（以下、ＦＷ装置と称す。）の模式平面図、図３はＦＷ装置の模式側面図である。

図２及び図３に示すように、ＦＷ装置１１は、繊維束供給部１２、樹脂含浸装置１３、繊維束ガイド１４及び給糸ユニット１５を備えている。給糸ユニット１５は、図示しないチャックに支持された被繊維束巻付け部材１６の長手方向（図２における左右方向）に沿って往復移動可能に構成されている。給糸ユニット１５を往復移動させる第１のアクチュエータ１７には、ボールネジを使用するとともに、ナットと一体移動可能な移動体１７ａを１軸方向に移動させる構成の公知のものが使用されている。移動体１７ａ上には、給糸ユニット１５を昇降させる第２のアクチュエータ１８が固定され、給糸ユニット１５は第２のアクチュエータ１８に取り付けられている。

繊維束供給部１２は、繊維束Ｆが巻かれた複数（この実施形態では３つ）のボビンＢが、張力調整装置（図示せず）に連結された支軸１２ａに支持される構成になっている。張力調整装置には例えばパウダーブレーキや、渦電流により支軸１２ａに負荷を加える構成の所謂パーマトルクが使用されている。繊維束Ｆは、例えば、炭素繊維の無撚りのマルチフィラメントからなり、マルチフィラメントはフィラメント数が３０００〜９６０００本程度である。

樹脂含浸装置１３は、樹脂槽１９及び塗布ローラ２０を備え、樹脂槽１９の上方にはボビンＢから引き出された繊維束Ｆを樹脂槽１９の所定位置に案内するローラ２１ａと、樹脂槽１９で樹脂が含浸された後の繊維束Ｆを案内するローラ２１ｂとが設けられている。なお、図２では、ローラ２１ａ，２１ｂの図示を省略している。また、繊維束供給部１２とローラ２１ａとの間には、図示しないテンションローラが各繊維束Ｆに対応して設けられている。

繊維束ガイド１４は複数のボビンＢから引き出された繊維束Ｆがそれぞれ分離された状態で樹脂含浸作用を受けるように案内するため、櫛歯状のガイド部（図示せず）を備えている。

前記チャックは被繊維束巻付け部材１６をその軸心を中心に回転可能に支持し、可変速モータにより回転駆動される。そして、制御装置（図示せず）により可変速モータが制御されて、チャックが給糸ユニット１５の移動速度と同期した状態で回転駆動されることにより、繊維束Ｆの被繊維束巻付け部材１６に対する巻付け角度を任意の角度に設定して巻き付けることができるようになっている。被繊維束巻付け部材１６は、例えばマンドレルあるいはタンクを製造する場合のライナ等である。

次に図１（ａ）〜（ｃ）を参照しつつ、給糸ユニット１５の構成について詳しく説明する。
給糸ユニット１５は、ＦＷ装置１１への取付け部２２に対して支持部２３が回転可能に支持されている。取付け部２２は、直方体状のブロックの中心に断面円形の孔２２ａが形成され、孔２２ａに嵌合されるベアリング２４を介して支持部２３が回転可能に支持されている。支持部２３は一対の支持壁２３ａを有し、支持壁２３ａには被繊維束巻付け部材１６の回転に伴って引き出される繊維束Ｆに接触して繊維束Ｆをガイドする出口ガイド２５が、取付け片２６を介して支持されている。取付け片２６にはねじ孔（図示せず）が形成され、取付け片２６は支持壁２３ａに形成された長孔（図示せず）を貫通して前記ねじ孔に螺合されるねじ２７により、支持壁２３ａに対して回転中心軸Ｏ１と直交する面内で位置調整可能に、即ち図１（ａ）における上下方向の位置調整可能に固定されている。

出口ガイド２５は支持部２３の回転中心軸Ｏ１（図１（ｂ），（ｃ）に図示）側に凹となるように湾曲した形状のガイド面２５ａを有し、ガイド面２５ａの繊維束Ｆが通過可能な範囲内に、回転中心軸Ｏ１からの距離が最も遠い箇所が存在する。この実施形態では図１（ｃ）に示すように、出口ガイド２５は、ガイド面２５ａの前記回転中心軸Ｏ１と直交する平面との交線の各点における曲率半径が、ガイド面２５ａの前記回転中心軸Ｏ１からの距離が最も遠い箇所における曲率半径Ｒ１以下に形成されている。この実施形態では、出口ガイド２５は断面円形のパイプ又はバーを円弧状に湾曲して形成され、ガイド面２５ａの前記回転中心軸Ｏ１と直交する平面との交線の各点における曲率が一定に形成されている。

支持部２３には出口ガイド２５の繊維束Ｆの引き出し方向上流側に、繊維束Ｆを拡げる（扁平にする）作用を有する拡幅ガイド２８ａ，２８ｂが設けられている。拡幅ガイド２８ａ，２８ｂの端面にはねじ孔（図示せず）が形成され、拡幅ガイド２８ａ，２８ｂも支持壁２３ａに形成された長孔（図示せず）を貫通して前記ねじ孔に螺合されるねじ２７により、支持壁２３ａに対して図１（ａ）における上下方向の位置調整可能に固定されている。拡幅ガイド２８ａ，２８ｂは断面円形で直線状に形成されている。

支持部２３には、支持部２３及び支持部２３に支持されている部材の全体の重心が支持部２３の回転中心に一致させるためのバランスウエイト２９（図１（ｂ）にのみ図示）が固定されている。バランスウエイト２９の端面にはねじ孔（図示せず）が形成され、バランスウエイト２９も支持壁２３ａに形成された長孔（図示せず）を貫通して前記ねじ孔に螺合されるねじ２７により、支持壁２３ａに対して図１（ａ）における上下方向の位置調整可能に固定されている。

次に前記のように構成された給糸ユニット１５を備えたＦＷ装置１１の作用を説明する。
給糸ユニット１５は取付け部２２において第２のアクチュエータ１８に固定されて、ＦＷ装置１１に取り付けられる。そして、例えば、タンクを製造する場合は、先ず被繊維束巻付け部材１６としてのライナをＦＷ装置１１のチャックに支持させる。次に第１のアクチュエータ１７及び第２のアクチュエータ１８を作動させて、給糸ユニット１５を原位置（巻付け開始位置）に配置する。原位置は例えば、ライナの胴部の一端部と対応する位置に出口ガイド２５が配置される位置である。

次に繊維束供給部１２から繰り出された繊維束Ｆを、樹脂含浸装置１３及び繊維束ガイド１４を経て給糸ユニット１５に導き、図１（ｂ）に示すように、拡幅ガイド２８ｂ，２８ａ及び出口ガイド２５と係合する状態で、繊維束Ｆの端部を被繊維束巻付け部材１６の所定位置に固定する。繊維束Ｆの端部の固定作業は作業者が手作業で行い、例えば粘着テープを使用して行われる。また、被繊維束巻付け部材１６の長さ、径、被繊維束巻付け部材１６の回転速度、繊維束Ｆの被繊維束巻付け部材１６への巻付け時の幅等の巻付け条件を制御手段に入力する。

次にＦＷ装置１１による繊維束Ｆの巻付け運転が開始される。ＦＷ装置１１の運転が開始されると、被繊維束巻付け部材１６が一定方向に回転されるとともに、第１のアクチュエータ１７の駆動により、給糸ユニット１５が移動体１７ａと共に巻付け開始位置から被繊維束巻付け部材１６の軸方向と平行に移動される。そして、繊維束供給部１２から繊維束Ｆが順次引き出されて被繊維束巻付け部材１６上に巻き付けられる。

繊維束Ｆが被繊維束巻付け部材１６に巻き付けられる際、出口ガイド２５には繊維束Ｆから力が作用する。繊維束Ｆから作用する力の方向は、被繊維束巻付け部材１６に対する繊維束Ｆの巻き付け角度に対応する。フープ巻の場合は、繊維束Ｆはほぼ回転中心軸Ｏ１を含む垂直面内において引き出されるため、繊維束Ｆからは支持部２３を回転させる力が付与されず、繊維束Ｆは出口ガイド２５のガイド面２５ａの中央部分でガイドされながら引き出される。

一方、ヘリカル巻やレーベル巻の場合は、繊維束Ｆは回転中心軸Ｏ１を含む垂直面と交差する方向に引き出される状態となる。この状態では繊維束Ｆからは支持部２３に対して、出口ガイド２５を介して支持部２３を回転させる力が付与され、その力によって支持部２３が回転される。繊維束Ｆはガイド面２５ａのうち、回転中心軸Ｏ１からの距離が最も遠い箇所において安定した状態で引き出される。

出口ガイド２５が直線状に形成されている場合、あるいは回転中心軸Ｏ１側に凸となる形状に形成されている場合は、回転中心軸Ｏ１からの距離が最も遠い箇所は、出口ガイド２５の端部となり、繊維束Ｆが出口ガイド２５の端部まで移動してその位置で引き出される。従って、拡幅ガイド２８ａ，２８ｂの作用によって扁平に拡げられた繊維束Ｆが再び収束された状態で引き出されるようになり、繊維束Ｆを扁平な状態で被繊維束巻付け部材１６に安定して巻き付けるのが難しくなる。

しかし、この実施形態では、ガイド面２５ａは出口ガイド２５の中央が回転中心軸Ｏ１からの距離が最も遠い箇所のため、繊維束Ｆはガイド面２５ａの中央と対応する箇所において安定した状態で引き出される。従って、拡幅ガイド２８ａ，２８ｂの作用によって扁平に拡げられた繊維束は、扁平な状態で被繊維束巻付け部材１６に安定して巻き付けられる。

移動体１７ａの移動速度及び被繊維束巻付け部材１６の回転速度の調整により、ヘリカル巻層、フープ巻層及びレーベル巻層の巻付けが行われ、ヘリカル巻層、フープ巻層及びレーベル巻層が所定層数巻き付けられた時点で繊維束Ｆの巻付けが完了する。そして、被繊維束巻付け部材１６に巻き付けられた繊維束Ｆの端部が被繊維束巻付け部材１６に固定され、固定部から出口ガイド２５に連なる繊維束Ｆが切断される。次に被繊維束巻付け部材１６がチャックから取り外されて加熱炉に入れられ、所定温度で樹脂が硬化されて、外郭が繊維強化樹脂により回転体形状に形成された構造体としての回転対称形状のタンクが形成される。

この実施の形態では以下の効果を有する。
（１） 給糸ユニット１５は、被繊維束巻付け部材１６の回転に伴って引き出される繊維束Ｆに接触して繊維束Ｆをガイドする出口ガイド２５を支持する支持部２３が、ＦＷ装置１１への取付け部２２に対して回転可能に支持されている。従って、被繊維束巻付け部材１６の回転に伴って引き出される繊維束Ｆから出口ガイド２５に対して回転中心軸Ｏ１を含む平面と交差する方向への力が作用するとその力によって支持部２３が回転され、モータ等の駆動手段を設けずに、支持部２３が繊維束Ｆの引き出しが円滑に行われる方向に回転される。また、出口ガイド２５は支持部２３の回転中心軸Ｏ１側に凹となるように湾曲した形状のガイド面２５ａを有し、ガイド面２５ａの繊維束Ｆが通過可能な範囲内に回転中心軸Ｏ１からの距離が最も遠い箇所が存在する。従って、支持部２３が回転しても繊維束Ｆは回転中心軸からの距離が最も遠い箇所において安定した状態で引き出される。その結果、出口ガイド２５を回転させる駆動源なしで、拡幅された繊維束Ｆを安定して被繊維束巻付け部材１６に巻き付けることができる。また、駆動源がないため、部品点数が少なくなり、構造が簡単で軽量化を図ることができる。

（２） ガイド面２５ａの回転中心軸Ｏ１と直交する平面との交線の各点における曲率半径が、ガイド面２５ａの回転中心軸Ｏ１からの距離が最も遠い箇所における曲率半径以下に形成されている。従って、繊維束Ｆが支持部２３に回転力を付与する方向に引き出される際、繊維束Ｆは回転中心軸Ｏ１からの距離が最も遠い箇所に円滑に移動し、その箇所において安定して引き出される。

（３） 出口ガイド２５は、ガイド面２５ａの回転中心軸Ｏ１と直交する平面との交線の各点における曲率が一定（この実施形態では円弧状）に形成されている。従って、出口ガイド２５を曲率が変化する放物線状や楕円状に形成する場合に比較して、出口ガイド２５の製作が容易になる。

（４） 支持部２３には出口ガイド２５の繊維束引き出し方向上流側に、繊維束Ｆを拡げる作用を有する拡幅ガイド２８ａ，２８ｂが設けられている。従って、拡幅ガイドが給糸ユニット１５より上流側に配置され、拡幅ガイドから出口ガイド２５までの距離が長い場合に比較して、繊維束Ｆが出口ガイド２５で案内されて幅が安定した状態で被繊維束巻付け部材１６に巻き付けることができる。また、わざわざ拡幅ガイドを支持する支持部材を別に設ける必要がなく、拡幅ガイドの配設が容易になる。

（５） 支持部２３及び支持部２３に支持されている部材、即ち出口ガイド２５、拡幅ガイド２８ａ，２８ｂ及びバランスウエイト２９等の全体の重心が、支持部２３の回転中心に一致している。従って、繊維束Ｆから支持部２３に回転力が付与される状態になると支持部２３が確実に回転され、繊維束Ｆに無理な力が加わらず出口ガイド２５により繊維束Ｆが円滑に案内される状態に、自動的に回転される。

（６） ＦＷ装置１１は樹脂含浸装置１３を備え、樹脂含浸装置１３において樹脂が含浸された繊維束Ｆが給糸ユニット１５に供給される。従って、給糸ユニット１５に装備された出口ガイド２５及び拡幅ガイド２８ａ，２８ｂとして、回転可能なローラを使用しなくても、繊維束Ｆが出口ガイド２５及び拡幅ガイド２８ａ，２８ｂと接触しながら移動する際の抵抗が小さくなる。その結果、出口ガイド２５及び拡幅ガイド２８ａ，２８ｂをローラ構成とする場合に比較して、構成が簡単になる。

（７） 出口ガイド２５及び拡幅ガイド２８ａ，２８ｂが支持部２３に対して、回転中心軸Ｏ１と直交する面内で位置調整可能に固定されている。従って、位置調整不能に固定される構成に比較して、フィラメントワインディングの条件（例えば、被繊維束巻付け部材１６の径、繊維束Ｆの太さ、繊維束Ｆの材質等）が変更された場合に、より適正な位置に調整することが可能となる。

（８） バランスウエイト２９が支持部２３に対して、回転中心軸Ｏ１と直交する面内で位置調整可能に固定されている。従って、出口ガイド２５及び拡幅ガイド２８ａ，２８ｂの位置調整を行った際に、支持部２３及び支持部２３に支持された部材全体の重心を２３の回転中心に一致させることができる。

（９） ＦＷ装置１１は、複数本の繊維束Ｆを繊維束供給部１２から同時に引き出し、出口ガイド２５から被繊維束巻付け部材１６に供給する際に、各繊維束Ｆを幅方向の端部で重ね合わせた状態で送り出す構成となっている。従って、複数本の繊維束Ｆの合計本数と同じ本数のフィラメントを有する太い繊維束Ｆを１本使用して巻付けを行う場合に比較して、繊維束Ｆの拡幅処理や樹脂含浸処理が容易になる。また、ガイド面２５ａが支持部２３の回転中心軸Ｏ１側に凹となるように湾曲した形状のため、複数本の繊維束Ｆを同時に供給し、それぞれ拡幅された状態で出口ガイド２５に導かれた繊維束Ｆをその幅方向の端部が重なった状態で被繊維束巻付け部材１６へ安定して案内することができる。

（第２の実施形態）
次に第２の実施形態を図４に従って説明する。この実施形態ではＦＷ装置１１が、給糸ユニット１５を複数備え、被繊維束巻付け部材１６に扁平な状態の繊維束Ｆが複数本同時に巻き付けられるように構成されている点が前記第１の実施形態と大きく異なっている。前記第１の実施形態と同一部分は同一符号を付して詳しい説明を省略する。

ＦＷ装置１１は、給糸ユニット１５を８個備え、各給糸ユニット１５が被繊維束巻付け部材１６を中心としてその周囲にほぼ等間隔で配設されている。各給糸ユニット１５に対応して繊維束供給部１２及び繊維束ガイド１４がそれぞれ同数設けられている。樹脂含浸装置１３は繊維束供給部１２の数より少なく設けられ、例えば、１台の樹脂含浸装置１３が２個の繊維束供給部１２で共用されるようになっている。そして、樹脂含浸装置１３で樹脂が含浸されたガイド３０を介して給糸ユニット１５へ案内される。なお、図４においては、繊維束供給部１２、樹脂含浸装置１３、繊維束ガイド１４、第１のアクチュエータ１７、第２のアクチュエータ１８の大部分の図示を省略している。

この実施形態のＦＷ装置１１では、フィラメントワインディングの準備作業において、各繊維束供給部１２から前記第１の実施形態と同様に繊維束Ｆが引き出され、樹脂含浸装置１３及び繊維束ガイド１４等を経て給糸ユニット１５に導かれ、被繊維束巻付け部材１６に各繊維束Ｆの端部が周方向に等間隔をおいて固定される。そして、フープ巻を行う場合は、各出口ガイド２５から引き出される繊維束Ｆが重ならないように被繊維束巻付け部材１６の軸方向にずれた位置関係となるように給糸ユニット１５の位置が調整された状態で、繊維束Ｆの巻付けが行われる。また、フープ巻及びレーベル巻を行う場合は、各出口ガイド２５から引き出される繊維束Ｆの位置が軸方向において一致する位置関係となるように給糸ユニット１５の位置が調整された状態で、繊維束Ｆの巻付けが行われる。

この実施形態では、第１の実施形態の（１）〜（９）と同様な効果を有する他に、次の効果を有する。
（１０） 給糸ユニット１５が複数設けられているため、給糸ユニット１５が１個の場合に比較して、生産性を複数倍に上げることが可能になる。

（１１） 給糸ユニット１５を被繊維束巻付け部材１６に沿って移動させる第１のアクチュエータ１７として、ボールネジを使用するとともに、ナットと一体移動可能な移動体１７ａを１軸方向に移動させる構成のものが使用されている。従って、複数の給糸ユニット１５の軸方向の位置調整を簡単に、かつ精度良く行うことができる。

なお、実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。
○ 出口ガイド２５は支持部２３の回転中心軸側に凹となるように湾曲した形状のガイド面２５ａを有し、ガイド面２５ａの繊維束Ｆが通過可能な範囲内に回転中心軸Ｏ１からの距離が最も遠い箇所が存在する構成は、前記実施形態のように、円弧状に形成されるとともに、中央が回転中心軸Ｏ１からの距離が最も遠い箇所となる構成に限らない。例えば、回転中心軸Ｏ１からの距離が最も遠い箇所が中央ではなく、中央からいずれか一方にずれた箇所としてもよい。従って、出口ガイド２５が円弧状であれば、図１（ａ）における支持壁２３ａの下端から出口ガイド２５の両端までの高さが異なる状態に配置され、支持壁２３ａの下端から出口ガイド２５の両端までの高さが同じ場合は、出口ガイド２５は円弧ではない湾曲形状となる。

○ 出口ガイド２５は支持部２３に対して回転不能な構成に限らず、ガイド面２５ａが繊維束Ｆの引き出しに対応して回転可能な構成としてもよい。例えば、出口ガイド２５が回転体形状に形成され、回転体の中心軸を回転中心として回転可能に設けられていてもよい。図５（ａ）は、鼓形状に形成され、取付け片２６に回転可能に支持された出口ガイド２５を示す。出口ガイド２５が回転可能に構成された場合、繊維束Ｆが引き出される際の抵抗が小さくなる。従って、フィラメントワインディングに使用される繊維束Ｆとして、予め必要量の樹脂が付着（含浸）された半硬化状態の繊維束（所謂トウプリプレグ）を使用する場合でも、繊維束Ｆに無理な力がかかることが防止され、繊維束Ｆが円滑に引き出される。

○ ガイド面２５ａを円弧状とした出口ガイド２５として、例えば図５（ｂ）に示すように、円環状の出口ガイド２５を使用してもよい。この構成では、出口ガイド２５の一部のみ（図５（ｂ）における出口ガイド２５の上側部分）がガイド面２５ａとして使用され、他の部分はガイド面２５ａとして使用されない。この場合、出口ガイド２５を支持部２３に取り付けるのに取付け片２６が不要となり、部品点数が少なくなる。

○ 出口ガイド２５の中央が回転中心軸Ｏ１からの距離が最も遠い箇所となる構成として、出口ガイド２５の形状は円弧状に限らず、例えば楕円弧状や放物線状で対称な形状としてもよい。即ち、出口ガイド２５は、ガイド面２５ａの回転中心軸Ｏ１と直交する平面との交線の曲率が一定に形成されている必要はない。しかし、出口ガイド２５を円弧状あるいは円環状に形成する方が、出口ガイド２５を前記曲率が変化する放物線状や楕円状に形成する場合に比較して製作が容易になる。

○ 拡幅ガイド２８ａ，２８ｂは径が一定に限らず、例えば、図５（ｃ）に示すように中央部の径が最大で両端部の径が最小となる回転体形状としてもよい。この場合、径が一定の場合に比較して、拡幅作用が向上する。

○ 拡幅ガイドの数は２個に限らず、１個あるいは３個以上でもよい。また、拡幅ガイドを給糸ユニット１５に設けず、給糸ユニット１５より繊維束Ｆの引き出し方向上流側に設けたり、拡幅ガイドを省略したりしてもよい。拡幅ガイドを省略しても繊維束Ｆが出口ガイド２５を通過する際に繊維束Ｆが扱かれて多少扁平化される。

○ 拡幅ガイドは断面円形に限らず、繊維束Ｆとの接触部が湾曲面で構成されていればよく、例えば、断面円弧状の板材を凸部側が繊維束Ｆと対向するように配設してもよい。
○ 出口ガイド２５は支持部２３の回転中心軸側に凹となるように湾曲した形状のガイド面２５ａを有し、ガイド面２５ａの繊維束Ｆが通過可能な範囲内に前記回転中心軸からの距離が最も遠い箇所が存在する構成にかぎらず、出口ガイドは支持部２３の回転中心軸Ｏ１に対して偏心した位置にガイド面が存在する構成であればよい。例えば、図５（ｄ）に示すように、先端にガイド面を構成するリング状のガイド部３１ａを有する出口ガイド３１の基端を、支持部２３の回転中心軸Ｏ１に対して偏心した位置に支持軸３２を介して回動可能に設けてもよい。この構成では、ヘリカル巻やレーベル巻の場合、繊維束Ｆが回転中心軸Ｏ１を含む垂直面と交差する方向に引き出される状態になると、先ず出口ガイド３１が支持軸３２を中心に回動されて例えば図５（ｄ）に示す状態となる。この状態では支持軸３２から支持部２３に対して、支持部２３を回転させる力が付与され、その力によって支持部２３が、ガイド部３１ａ、支持軸３２及び回転中心軸Ｏ１が一直線上に位置する状態となるまで回転される。そして、繊維束Ｆはガイド面が回転中心軸Ｏ１からの距離が最も遠い箇所において安定した状態で引き出される。

○ 支持部２３及び支持部２３に支持されている部材の全体の重心が支持部２３の回転中心に一致している構成として、支持部２３と別体のバランスウエイト２９を設ける代わりに、支持部２３の厚さを部分的に変えて前記全体の重心が支持部２３の回転中心に一致するように構成してもよい。

○ 支持部２３及び支持部２３に支持されている部材の全体の重心が支持部２３の回転中心に一致していなくてもよい。前記全体の重心が支持部２３の回転中心に一致していなくても、繊維束Ｆの張力により出口ガイド２５が繊維束Ｆの巻付けに適した状態となるように支持部２３が回転される。しかし、繊維束Ｆに掛かる負荷を少なくするためには、前記全体の重心が支持部２３の回転中心に一致している方が良い。

○ ＦＷ装置１１は、繊維束供給部１２として、ボビンＢに予め必要量の樹脂が付着（含浸）された未硬化状態の繊維束（所謂トウプリプレグ）が巻かれたものを使用してもよい。この場合、樹脂含浸装置１３が不要になり、給糸ユニット１５を複数設けたＦＷ装置１１において特に装置の小型化に寄与する。さらに、各ガイドローラが回転すると抵抗が小さくなる。

○ ＦＷ装置１１に給糸ユニット１５を複数設ける場合、給糸ユニット１５の数は８個に限らず２個以上であればよい。給糸ユニット１５をＮ個（Ｎは２以上の自然数）設ける場合、移動体１７ａのフープ巻時における移動速度は、給糸ユニット１５が１個設けられた場合のＮ倍に設定され、生産性がＮ倍となる。しかし、数が増えると、フープ巻層を形成する際に各繊維束Ｆの巻付け状態が、被繊維束巻付け部材１６の軸線と直交する面との成す角度が０°から大きくずれるようになるため、実用上は８個以下が好ましい。給糸ユニット１５の数は目的とする生産性によって設定される。

○ フープ巻を形成する際、各給糸ユニット１５から繰り出される繊維束Ｆを、被繊維束巻付け部材１６上に重ならない状態で互いに接するように巻き付ける代わりに、一部が重なるように巻き付けてもよい。繊維束Ｆは多数の細い繊維が束ねられたものであり、扁平にした場合、長手方向に沿った両側の厚みが薄くなり易いため、一部が重なった方が厚みが均一になる。

○ 繊維束に含浸される樹脂として、製品（例えば圧力タンク）に要求される性能に合わせて、エポキシ樹脂に限らず、ビニルエステル樹脂やフェノール樹脂等の他の熱硬化性樹脂を使用してもよい。この場合樹脂の価格がエポキシ樹脂より安いのでコスト低減を図れる。

○ 繊維束の材質は炭素繊維に限らず、製品（例えば圧力タンク）に要求される性能に合わせて、ガラス繊維等の他の無機繊維やアラミド繊維、超高分子量ポリエチレン繊維等の高強度・高弾性率の有機繊維を使用してもよい。また、高強度・高弾性率でない有機繊維を使用してもよい。

○ 全体が繊維強化樹脂により回転体形状に形成された構造体、例えばＦＲＰ製のパイプを製造する場合は、被繊維束巻付け部材１６としてマンドレルを使用し、マンドレル上に樹脂が含浸された繊維束Ｆを巻き付けた後、マンドレルをＦＷ装置１１から取り外し、樹脂硬化後、脱型することにより構造体が製造される。

○ 樹脂が含浸されていない繊維束を被繊維束巻付け部材の表面に巻き付けた後、巻き付けられた繊維束に樹脂を含浸させ、その後、樹脂を硬化させるようにしてもよい。
前記実施の形態から把握される発明（技術的思想）について以下に記載する。

（１） 請求項１〜請求項８のいずれか一項に記載の発明において、前記出口ガイドは前記支持部に対して前記回転中心軸と直交する面内で位置調整可能に固定されている。
（２） 前記技術的思想１に記載の発明において、前記支持部には、バランスウエイトが、前記支持部に対して前記回転中心軸と直交する面内で位置調整可能に固定されている。

（ａ）は第１の実施形態の給糸ユニットの概略斜視図、（ｂ）は給糸ユニットと被繊維束巻付け部材との位置関係を示す模式図、（ｃ）は出口ガイドの湾曲状態を説明する模式図。 フィラメントワインディング装置の模式平面図。 フィラメントワインディング装置の模式側面図。 第２の実施形態のフィラメントワインディング装置の模式側面図。 （ａ），（ｂ）はそれぞれは出口ガイドの別の実施形態の正面図、（ｃ）は拡幅ガイドの別の実施形態の正面図、（ｄ）は出口ガイドの別の実施形態を示す模式図。 （ａ）〜（ｃ）はフィラメントワインディングにおける繊維束の巻付け方を示す模式図。 従来技術の繊維束ガイド部材の模式斜視図。

符号の説明

Ｆ…繊維束、Ｏ１…回転中心軸、１１…ＦＷ装置（フィラメントワインディング装置）、１５…給糸ユニット、１６…被繊維束巻付け部材、２２…取付け部、２３…支持部、２５，３１…出口ガイド、２５ａ…ガイド面、２８ａ，２８ｂ…拡幅ガイド、３１ａ…ガイド面を構成するガイド部。

Claims (12)

1. 被繊維束巻付け部材を支持して回転させながら、繊維束を前記被繊維束巻付け部材の表面に巻き付けるフィラメントワインディング装置の給糸ユニットであって、
   前記被繊維束巻付け部材の回転に伴って引き出される繊維束に接触して繊維束をガイドする出口ガイドを支持する支持部が、フィラメントワインディング装置への取付け部に対して回転可能に支持され、前記出口ガイドは前記支持部の回転中心軸に対して偏心した位置にガイド面が存在するフィラメントワインディング装置の給糸ユニット。
2. 被繊維束巻付け部材を支持して回転させながら、繊維束を前記被繊維束巻付け部材の表面に巻き付けるフィラメントワインディング装置の給糸ユニットであって、
   前記被繊維束巻付け部材の回転に伴って引き出される繊維束に接触して繊維束をガイドする出口ガイドを支持する支持部が、フィラメントワインディング装置への取付け部に対して回転可能に支持され、前記出口ガイドは前記支持部の回転中心軸側に凹となるように湾曲した形状のガイド面を有し、前記ガイド面の前記繊維束が通過可能な範囲内に前記回転中心軸からの距離が最も遠い箇所が存在するフィラメントワインディング装置の給糸ユニット。
3. 前記ガイド面の前記回転中心軸と直交する平面との交線の各点における曲率半径が、前記ガイド面の前記回転中心軸からの距離が最も遠い箇所における曲率半径以下に形成されている請求項２に記載のフィラメントワインディング装置の給糸ユニット。
4. 前記出口ガイドは回転体形状に形成され、前記回転体の中心軸を回転中心として回転可能に設けられている請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載のフィラメントワインディング装置の給糸ユニット。
5. 前記出口ガイドは、前記ガイド面の前記回転中心軸と直交する平面との交線の曲率が一定に形成されている請求項２又は請求項３に記載のフィラメントワインディング装置の給糸ユニット。
6. 前記支持部には前記出口ガイドの繊維束引き出し方向上流側に、繊維束を拡げる作用を有する拡幅ガイドが設けられている請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載のフィラメントワインディング装置の給糸ユニット。
7. 前記支持部及び該支持部に支持されている部材の全体の重心が前記支持部の回転中心に一致している請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載のフィラメントワインディング装置の給糸ユニット。
8. 前記繊維束は、樹脂が含浸された繊維束である請求項１〜請求項７のいずれか一項に記載のフィラメントワインディング装置の給糸ユニット。
9. 請求項１〜請求項８のいずれか一項に記載の給糸ユニットを備えたフィラメントワインディング装置。
10. 前記給糸ユニットは複数備えられている請求項９に記載のフィラメントワインディング装置。
11. 全体又は外郭が繊維強化樹脂により回転体形状に形成された構造体の製造方法であって、
    請求項９又は請求項１０に記載のフィラメントワインディング装置を使用して被繊維束巻付け部材に樹脂が含浸された繊維束をヘリカル巻層及びレーベル巻層の少なくとも一方の巻層を含むように巻き付ける工程と、巻き付けられた繊維束に含浸された樹脂を硬化させる工程とを備えた構造体の製造方法。
12. 全体又は外郭が繊維強化樹脂により回転体形状に形成された構造体の製造方法であって、
    請求項９又は請求項１０に記載のフィラメントワインディング装置を使用して被繊維束巻付け部材に樹脂が含浸されていない繊維束をヘリカル巻層及びレーベル巻層の少なくとも一方の巻層を含むように巻き付ける工程と、巻き付けられた繊維束に樹脂を含浸させる工程と、巻き付けられた繊維束に含浸された樹脂を硬化させる工程とを備えた構造体の製造方法。
    

Images