JP2005262595A - フィラメントワインディング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】フィラメントの巻き取り速度が高速になった場合においても、張力を略一定に維持した状態でフィラメントを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を提供する。
【解決手段】フィラメント１２が巻かれたボビン１４と、ボビン１４から引き出されるフィラメント１２をガイドするローラ１６と、フィラメント１２の張力を一定に保持するために用いられるアクティブダンサー２０と、ボビン１４を移動させることによってボビン１４とローラ１６との相対的な位置を変更するボビン移動機構３２を備え、ボビン１４から引き出されたフィラメント１２の張力を一定に保持しつつ巻き取るフィラメントワインディング装置により上記課題を解決することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、セラミック繊維、ガラス繊維、炭素繊維等を硬化させたフィラメントを巻き付けるために用いられるフィラメントワインディング装置に関する。

樹脂等で含浸されて硬化されたセラミック繊維、ガラス繊維、炭素繊維等からなるフィラメントを一定の張力を与えながら巻き付け、強化繊維プリフォームを形成するフィラメントワインディング装置が広く用いられている（特許文献１及び２等）。

従来のフィラメントワインディング装置１００は、図６に示すように、装置全体を制御する制御部１０、線状又は帯状のフィラメント１２が巻き付けられたボビン１４、ボビン１４から引き出されたフィラメント１２を正しい軌道にガイドするローラ１６、ダンサーロール１８を含み、制御部１０からの制御信号に基づいてウェイトを調整することによってフィラメント１２の張力を調整するアクティブダンサー２０、ローラ１６に沿って送り出されるフィラメント１２の張力を測定する張力センサ２２を含んで構成される。

フィラメントワインディング装置１００では、張力センサ２２を用いて、フィラメント１２の巻出し部となるボビン１４から引き出されたフィラメント１２の張力が測定される。測定結果は制御部１０に送信される。制御部１０は、張力の測定値を受けて、アクティブダンサー２０に制御信号を送る。アクティブダンサー２０では、制御信号に応じて、フィラメント１２の張力が一定に保たれるようにダンサーロール１８のウェイト等を調整する。このように、張力の測定結果に基づいてフィードバック制御を行うことによってフィラメント１２の張力を一定に保持しながら強化繊維プリフォームの成形を行う。この張力制御によって、巻き取り時のフィラメントのたるみを防止し、強化繊維プリフォームの型くずれを防止している（特許文献３及び４等）。

実開平１−１６９５７０号公報 実開昭６３−４１０６７号公報 特開平８−７２１５６号公報 特開２００１−２６０２４０号公報

ボビン１４は、図２に示すように、円筒形状を有しており、その外周上にフィラメント１２が軸方向に遷移させられながら巻き付けられている。従来のフィラメントワインディング装置では、ボビン１４とボビン１４の引き出し口に備えられたローラ１６との相対的な位置が固定されているため、フィラメント１２を引き出す際に、図７に示すように、ボビン１４からのフィラメント１２の引き出し位置がボビン１４の軸方向に振れてしまう。従って、フィラメント１２の引き出し位置からローラ１６までの距離が一定に維持されなかった。

このように、フィラメント１２の引き出し位置からローラ１６までの距離が変化する場合、フィラメント１２の巻き取り速度が速くなるに従ってその振れの速度も速くなり、フィラメント１２の弛みが発生する。このようなフィラメント１２の弛みによって、張力センサ２２からの測定値に基づくアクティブダンサー２０による張力調整が追従できなくなる問題が発生する。フィラメント１２の張力が一定に維持されない場合、例えば、フィラメントの巻き付け張力が強過ぎると、成形された強化繊維プリフォームのフィラメント配向が乱され、又は、フィラメントがせん断力を受けて破損してしまう原因となる。

本発明は、上記問題を解決するため、高速にフィラメントを巻き取る場合においてもフィラメントの張力を一定に維持することができるフィラメントワインディング装置を提供することを目的とする。

本発明は、フィラメントが巻かれたボビンと、前記ボビンから引き出されるフィラメントをガイドするローラと、前記フィラメントの張力を略一定に保持するために用いられる張力調整手段と、を含み、前記ボビンから引き出されたフィラメントの張力を調整しつつ巻き取るフィラメントワインディング装置であって、前記ボビンを移動させることによって前記ボビンと前記ローラとの相対的な位置を変更するボビン駆動手段を含むことを特徴とする。

ここで、前記フィラメントの引き出し速度を測定する速度測定手段を含み、前記ボビン駆動手段は、前記速度測定手段により測定された前記フィラメントの引き出し速度に基づいて、前記ボビンを移動させることが好ましい。より具体的には、前記ボビン駆動手段では、前記速度測定手段により測定されたフィラメントの引き出し速度、前記ボビンの半径及び前記フィラメントの幅に基づいて算出された移動速度で前記ボビンを移動させることができる。

また、前記ボビンからの前記フィラメントの引き出し位置を測定する位置測定手段を含み、前記ボビン駆動手段は、前記位置測定手段により測定された前記フィラメントの引き出し位置に基づいて、前記ボビンを移動させることも好ましい。

また、本発明の別の態様としては、フィラメントが巻かれたボビンと、前記ボビンから引き出されるフィラメントをガイドするローラと、前記フィラメントの張力を略一定に保持するために用いられる張力調整手段と、を含み、前記ボビンから引き出されたフィラメントの張力を調整しつつ巻き取るフィラメントワインディング装置であって、前記ボビンからの前記フィラメントの引き出し位置を測定する位置測定手段を含み、前記張力調整手段は、前記位置測定手段により測定された前記フィラメントの引き出し位置に基づいて、前記フィラメントの張力を調整することも好適である。

また、前記フィラメントの引き出し速度を測定する速度測定手段を含み、前記張力調整手段は、前記速度測定手段により測定された前記フィラメントの引き出し速度に基づいて、前記フィラメントの張力を調整しても良い。

本発明によれば、フィラメントの巻き取り速度が高速になった場合においても、フィラメントの張力を略一定に維持した状態でフィラメントを巻き付けることができる。これにより、例えば、成形された強化繊維プリフォームのフィラメント配向の乱れやフィラメントのせん断等の損傷を防ぐことができる。

本発明の実施の形態におけるフィラメントワインディング装置２００は、図１に示すように、装置全体を制御する制御部３０−１、線状又は帯状のフィラメント１２が巻き付けられたボビン１４、ボビン１４から引き出されたフィラメント１２を正しい軌道にガイドするローラ１６、フィラメント１２の引き出し口にあるローラ１６とボビン１４との相対的な位置を変化させるボビン移動機構３２、ダンサーロール１８を含み、制御部３０−１からの制御信号に基づいてウェイトを調整することによってフィラメント１２の張力を調整するアクティブダンサー２０、ローラ１６に沿って送り出されるフィラメント１２の張力を測定する張力センサ２２及び送り出されるフィラメント１２の速度を測定する速度センサ３４を含んで構成される。なお、従来のフィラメントワインディング装置１００と同一の構成部には同一の符号を付している。

ボビン１４は、図２に示したように、円筒形状を有しており、その外周上にフィラメント１２が軸方向に遷移させられながら巻き付けられている。フィラメントワインディング装置２００は、ボビン１４に巻かれたフィラメント１２を引き出しながら巻き付けることによって強化繊維プリフォームの成型を行う。

張力センサ２２は、ボビン１４から引き出されたフィラメント１２の張力を測定し、制御部１０へ送信する。制御部１０は、張力の測定値を受けて、アクティブダンサー２０に制御信号を送る。アクティブダンサー２０は、制御部１０からの制御信号を受けて、フィラメント１２の張力が一定に保たれるようにダンサーロール１８のウェイト等を調整する。

また、速度センサ３４により、フィラメント１２の移動速度を測定し、制御部１０へ送信する。制御部１０は、移動速度の測定信号を受けて、ボビン１４の移動速度を示す移動制御信号を求める。

制御部３０−１は、ボビン１４の移動距離を次のように算出する。ボビン１４は、図２に示すように、半径Ｒを有し、その外周上にフィラメント１２が一巻毎にフィラメント１２の幅Ｗだけ軸方向にずらされて巻き付けられている。フィラメント１２の厚さが無視できる程度であるとすると、フィラメント１２が長さ２πＲだけ引き出される毎にフィラメント１２の引き出し位置は幅Ｗだけ軸方向に移動することとなる。従って、速度センサによって測定されたフィラメント１２の移動速度が速度ｖ_fであったとすると、ボビン１４を軸方向に移動させる移動速度ｖ_bは数式（１）により算出することができる。

制御部３０−１は、数式（１）により算出された移動速度ｖ_bを示す移動制御信号をボビン移動機構３２へ出力する。ボビン移動機構３２は、移動制御信号を受けて、図３に示すように、移動制御信号に基づく移動速度ｖ_bでボビン１４を軸方向に移動させる。ボビン１４の移動は、例えば、ボール螺子等を用いた駆動機構を利用することができる。

一般的には、ボビン１４の半径Ｒは１０ｃｍ程度であり、フィラメント１２の幅Ｗは２ｍｍ程度であるので、フィラメント１２の移動速度ｖ_fが５０ｃｍ／ｓ〜５ｍ／ｓの場合にはボビン１４の軸方向への移動速度ｖ_bは１ｍｍ／ｓ〜１０ｍｍ／ｓの範囲となる。

これによって、フィラメント１２の引き出し口にあるローラ１６とボビン１４におけるフィラメント１２の引き出し位置との距離を常に一定に保ち、フィラメント１２の弛みを抑制することができる。

フィラメント１２の引き出し位置からローラ１６までの距離が一定に維持されることによって、フィラメント１２の巻き取り速度が速くなった場合においても張力センサ２２からの測定値に基づくアクティブダンサー２０による張力調整が十分に追従できる。その結果、フィラメント１２の張力を常に一定に維持することができる。従って、強化繊維プリフォームのフィラメント配向の乱れやフィラメント１２のせん断等の破損を防ぐことができる。

＜変形例１＞
上記実施の形態ではフィラメント１２の移動速度ｖ_fを測定することによってボビン１４の移動速度を算出して制御を行ったが、ボビン１４からのフィラメント１２の引き出し位置を直接測定することによってもボビン１４の位置制御を行うことができる。

本発明の実施の形態におけるフィラメントワインディング装置２０２は、図４に示すように、速度センサ３４の代わりにフィラメントの位置センサ３６を含んで構成される。位置センサ３６は、光学的なラインセンサを含み、ボビン１４から引き出されるフィラメント１２の引き出し位置をセンシングしてフィラメント位置信号として制御部３０−２へと出力する。

制御部３０−２は、位置センサ３６からフィラメント１２のフィラメント位置信号を受けて、フィラメント１２の引き出し口にあるローラ１６の位置とボビン１４におけるフィラメント１２の引き出し位置とが相対的に一定に保たれるようにボビン１４を移動させる移動制御信号をボビン移動機構３２へ出力する。ボビン移動機構３２は、移動制御信号を受けて、移動制御信号に基づいてボビン１４を軸方向に移動させる。ボビン１４の移動は、上記実施の形態と同様に、ボール螺子等を用いた駆動機構を利用することができる。

なお、上記実施の形態及びその変形例ではボビン１４を軸方向に移動させることによってフィラメント１２の引き出し口にあるローラ１６とボビン１４におけるフィラメント１２の引き出し位置との距離を一定に維持し、フィラメント１２の弛みを防止したが、これに限定されるものではない。例えば、ボビン１４の軸方向の位置は固定しておき、フィラメント１２の引き出し速度ｖ_fに応じて軸方向と垂直方向にボビン１４を移動させても良い。すなわち、フィラメント１２の引き出し口にあるローラ１６とボビン１４におけるフィラメント１２の引き出し位置が近づくときにはボビン１４をローラ１６から遠ざけるように移動させ、フィラメント１２の引き出し口にあるローラ１６とボビン１４におけるフィラメント１２の引き出し位置が遠ざかるときにはボビン１４をローラ１６から近づけるように移動させれば良い。

なお、本実施の形態及び変形例１では、ダンサーロール１８を含むアクティブダンサー２０という張力調整手段を備えるものとしたが、ボビン移動機構３２によるボビン１４の移動のみでフィラメント１２の張力を十分調整できる場合にはボビン移動機構３２以外の張力調整手段を備える必要はない。すなわち、ボビン移動機構３２以外の張力調整手段を備えない場合においても、張力抑制の効果を得ることができる。

＜変形例２＞
上記実施の形態及び変形例１ではフィラメント１２の引き出し口にあるローラ１６とボビン１４におけるフィラメント１２の引き出し位置とを一定に維持するようにボビン１４を移動させることによってフィラメント１２の弛みを抑制したが、ボビン１４を移動させずにアクティブダンサー２０によりフィラメント１２の弛みを抑制することもできる。

本変形例２におけるフィラメントワインディング装置２０４は、図５に示すように、速度センサ３４の代わりにフィラメントの位置センサ３６及びボビン１４の回転速度を検出する回転速度センサ３８を含んで構成される。本変形例２では、フィラメント１２の引き出し口にあるローラ１６とボビン１４との相対的な位置関係は変化しないように固定されているものとする。位置センサ３６は、光学的なラインセンサを含み、ボビン１４から引き出されるフィラメント１２の引き出し位置をセンシングしてフィラメント位置信号として制御部３０−３へ出力する。また、回転速度センサ３８は、ボビン１４を回転させる軸等に取り付けられ、ボビンの回転速度を測定し、ボビン回転速度信号として制御部３０−３へ出力する。

制御部３０−３は、位置センサ３６からフィラメント位置信号及び回転速度センサ３８からボビン回転速度信号を受けて、アクティブダンサー２０のウェイトの調整を行う。制御部３０−３は、ボビン１４の回転速度が速く、フィラメント１２の引き出し位置がフィラメント１２の引き出し口にあるローラ１６へと近づくときにはフィラメント１２に弛みが発生し易い状態にあると判定し、アクティブダンサー２０のウェイトをフィラメント１２の張力が増加する方向に調整する。また、ボビン１４の回転速度が速く、フィラメント１２の引き出し口にあるローラ１６とボビン１４におけるフィラメント１２の引き出し位置が遠ざかるときにはフィラメント１２に余分な張力が掛かり易い状態にあると判定し、アクティブダンサー２０のウェイトをフィラメント１２の張力が減少する方向に調整する。一方、ボビン１４の回転速度が遅い場合には、従来のアクティブダンサー２０のウェイト調整によって十分にフィラメント１２の弛みを防止することができるのでフィラメント位置信号に基づくアクティブダンサー２０の制御を低減させても良い。

また、位置センサ３６の代わりに、図１に示したようにフィラメント１２の速度センサ３４を用いても同様の制御を行うことができる。この場合、制御部３０−３は、フィラメント１２の速度が速く、フィラメント１２の引き出し位置がフィラメント１２の引き出し口にあるローラ１６へと近づくときにはフィラメント１２に弛みが発生し易い状態にあると判定し、アクティブダンサー２０のウェイトをフィラメント１２の張力が増加する方向に調整する。また、フィラメント１２の速度が速く、フィラメント１２の引き出し口にあるローラ１６とボビン１４におけるフィラメント１２の引き出し位置が遠ざかるときにはフィラメント１２に余分な張力が掛かり易い状態にあると判定し、アクティブダンサー２０のウェイトをフィラメント１２の張力が減少する方向に調整する。一方、フィラメント１２の速度が遅い場合には、フィラメント１２の引き出し位置に基づくアクティブダンサー２０の制御の割合を低減させても良い。

このようにボビン１４からフィラメント１２の引き出し位置に応じてアクティブダンサー２０のウェイト調整を行うことによって、フィラメント１２の張力を常に一定に保ち、フィラメント１２の弛みを抑制することができる。このとき、従来の張力センサでフィラメントの張力を測定し、アクティブダンサーをフィードバック制御する方法に比べて、フィードバック制御の制御速度が高くなり、フィラメント１２の張力変化を十分に追従できる。

本発明の実施の形態におけるフィラメントワインディング装置のブロック図である。 フィラメントが巻かれたボビンを示す図である。 本発明の実施の形態におけるフィラメントワインディング装置のボビンの位置の制御を説明する図である。 本発明の変形例１におけるフィラメントワインディング装置のブロック図である。 本発明の変形例２におけるフィラメントワインディング装置のブロック図である。 従来のフィラメントワインディング装置のブロック図である。 従来のフィラメントワインディング装置におけるボビンからのフィラメントの引き出し位置とローラとの関係を説明する図である。

符号の説明

１０ 制御部、１２ フィラメント、１４ ボビン、１６ ローラ、１８ ダンサーロール、２０ アクティブダンサー、２２ 張力センサ、３０ 制御部、３２ ボビン移動機構、３４ 速度センサ、３６ 位置センサ、３８ 回転速度センサ、１００，２００，２０２，２０４ フィラメントワインディング装置。

Claims (6)

1. フィラメントが巻かれたボビンと、
   前記ボビンから引き出されるフィラメントをガイドするローラと、
   前記フィラメントの張力を一定に保持するために用いられる張力調整手段と、を含み、
   前記ボビンから引き出されたフィラメントの張力を調整しつつ巻き取るフィラメントワインディング装置であって、
   前記ボビンを移動させることによって前記ボビンと前記ローラとの相対的な位置を変更するボビン駆動手段を含むことを特徴とするフィラメントワインディング装置。
2. 請求項１に記載のフィラメントワインディング装置において、
   前記フィラメントの引き出し速度を測定する速度測定手段を含み、
   前記ボビン駆動手段は、前記速度測定手段により測定された前記フィラメントの引き出し速度に基づいて、前記ボビンを移動させることを特徴とするフィラメントワインディング装置。
3. 請求項２に記載のフィラメントワインディング装置において、
   前記ボビン駆動手段では、前記速度測定手段により測定されたフィラメントの引き出し速度、前記ボビンの半径及び前記フィラメントの幅に基づいて算出された移動速度で前記ボビンを移動させることを特徴とするフィラメントワインディング装置。
4. 請求項１に記載のフィラメントワインディング装置において、
   前記ボビンからの前記フィラメントの引き出し位置を測定する位置測定手段を含み、
   前記ボビン駆動手段は、前記位置測定手段により測定された前記フィラメントの引き出し位置に基づいて、前記ボビンを移動させることを特徴とするフィラメントワインディング装置。
5. フィラメントが巻かれたボビンと、
   前記ボビンから引き出されるフィラメントをガイドするローラと、
   前記フィラメントの張力を一定に保持するために用いられる張力調整手段と、を含み、
   前記ボビンから引き出されたフィラメントの張力を調整しつつ巻き取るフィラメントワインディング装置であって、
   前記ボビンからの前記フィラメントの引き出し位置を測定する位置測定手段を含み、
   前記張力調整手段は、前記位置測定手段により測定された前記フィラメントの引き出し位置に基づいて、前記フィラメントの張力を調整することを特徴とするフィラメントワインディング装置。
6. フィラメントが巻かれたボビンと、
   前記ボビンから引き出されるフィラメントをガイドするローラと、
   前記フィラメントの張力を一定に保持するために用いられる張力調整手段と、を含み、
   前記ボビンから引き出されたフィラメントの張力を略一定に保持しつつ巻き取るフィラメントワインディング装置であって、
   前記フィラメントの引き出し速度を測定する速度測定手段を含み、
   前記張力調整手段は、前記速度測定手段により測定された前記フィラメントの引き出し速度に基づいて、前記フィラメントの張力を調整することを特徴とするフィラメントワインディング装置。
   
   

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