JP2016068365A

JP2016068365A - フィラメントワインディング装置

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Publication number: JP2016068365A
Application number: JP2014199581A
Authority: JP
Inventors: 加藤　圭; Kei Kato; 圭加藤
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2014-09-30
Filing date: 2014-09-30
Publication date: 2016-05-09
Anticipated expiration: 2034-09-30
Also published as: JP6405843B2

Abstract

【課題】本発明は、フィラメントワインディング装置において、張力調整機構の小型化を図ることを目的とする。【解決手段】フィラメントワインディング装置は、繊維を巻き出す繊維巻出部と、繊維巻出部から供給される繊維をライナーの外表面に案内するアイクチ案内部と、を備え、アイクチ案内部は、偏心軸を有する偏心ローラであって、ライナーの外表面に案内される繊維と接触する偏心ローラと、偏心軸を回転させて、偏心ローラと繊維との接触角を変更することで、偏心ローラが繊維に付与する張力を調整する駆動部と、を備える。【選択図】図２

Description

本発明は、フィラメントワインディング装置に関する。

従来から、高圧タンクの製造時にタンクのライナーに樹脂含浸繊維（繊維）を巻き付けるフィラメントワインディング装置が知られている。ライナーに繊維を巻き付ける際、巻き付けられる繊維の張力が十分でないと、繊維がライナーに緊密に巻き付けられず、タンクの強度が不十分となる場合がある。そのため、フィラメントワインディング装置おいて、シリンダによって伸縮するアームの先端にローラを備え、そのローラの位置を移動させることによって、ライナーに巻き付けられる繊維の張力を調整する張力調整機構（ダンサー）を備えたものが知られている（特許文献１）。

特開２０１１−２４５７８０号公報特開２００７−１９０６９７号公報特開２０１４−０７９９５３号公報特開２０１１−０９３２７６号公報

ライナーに巻き付けられる繊維の張力を正確に調整するためには、この張力調整機構はライナーにできるだけ近い位置において繊維の張力を調整することが好ましい。しかしながら、引用文献１の張力調整機構は、シリンダによって伸縮するアームの構造が大きいため、ライナーに近い位置に配置することが容易ではない。例えば、引用文献１の張力調整機構をアイクチ案内部に設置するとアイクチ案内部が大型化する問題がある。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。

（１）本発明の一形態によれば、フィラメントワインディング装置が提供される。このフィラメントワインディング装置は、前記繊維を巻き出す繊維巻出部と、前記繊維巻出部から供給される前記繊維を前記ライナーの外表面に案内するアイクチ案内部と、を備え、前記アイクチ案内部は、偏心軸を有する偏心ローラであって、前記ライナーの外表面に案内される前記繊維と接触する偏心ローラと、前記偏心軸を回転させて、前記偏心ローラと前記繊維との接触角を変更した状態で前記偏心ローラを保持することで、前記偏心ローラが前記繊維に付与する張力を調整する駆動部と、を備えるように構成されている。この構成によれば、偏心軸の回転によって、ライナーに案内される繊維の張力を調整することができるため、シリンダによってアームを伸縮させて繊維の張力を調整する引用文献１の構成よりも、張力調整機構の大きさを抑制することができる。これにより、張力調整機構をアイクチ案内部に配置した場合でもアイクチ案内部の大型化を抑制することができる。

（２）上記形態のフィラメントワインディング装置は、さらに、前記偏心ローラと前記ライナーとの間に配置される張力測定ローラと、前記張力測定ローラに掛かる、水平方向荷重と、鉛直方向荷重と、トルクとを測定する測定部と、前記測定部によって測定された、前記水平方向荷重と、前記鉛直方向荷重と、前記トルクとを用いて、前記張力測定ローラと前記ライナーとの間における前記繊維の張力を推定するとともに、前記駆動部を制御することによって、推定した前記張力に基づいて、前記偏心ローラが前記繊維に付与する張力を調整する制御部と、を備えるフィラメントワインディング装置。この構成によれば、ライナーと張力測定ローラとの間における繊維の張力をより正確に推定することができる。

なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能であり、例えば、タンクの製造方法、繊維の張力調整装置、繊維の張力調整方法などの形態で実現することができる。

フィラメントワインディング装置を例示した説明図である。張力調整部の構成を示す斜視図である。第２のアイクチローラの動作を説明するための図である。張力Ｔ１を推定する方法を説明するための図である。トルク測定部の一例を示した説明図である。

Ａ．第１実施形態：
図１は、フィラメントワインディング装置１０を例示した説明図である。フィラメントワインディング装置１０は、繊維巻出部２０と、樹脂含浸部３０と、アイクチ案内部４０と、ライナー回転装置５０と、制御部６０と、を備える。繊維巻出部２０は、繊維を巻き出す機構部であり、複数のボビン２０１〜２０４と、複数の搬送ローラ２１１〜２１４と、結束ローラ２２０と、を含んでいる。ボビン２０１〜２０４は、糸を巻き付ける筒状の部材であり、カーボン繊維７００が巻き付けられている。カーボン繊維７００としては、例えば、ポリアクリロニトリルの原糸を約３，０００℃で焼成した糸を約２４，０００本程度撚って集め、バインダ樹脂によって軽く接着させた、厚さ約２００μｍ、幅４ｍｍから５ｍｍ程度の扁平なシートを例示することができる。搬送ローラ２１１〜２１４は、各ボビン２０１〜２０４に対応して設けられており、ボビン２０１〜２０４から巻き出されたカーボン繊維７００を結束ローラ２２０に搬送する。結束ローラ２２０は、ボビン２０１〜２０４から巻き出された複数のカーボン繊維７００を揃えて、樹脂含浸部３０に巻き出す。

樹脂含浸部３０は、カーボン繊維７００に対してエポキシ樹脂の含浸をおこなう機構部であり、複数の搬送ローラ３０１〜３０５と、樹脂含浸槽３１０と、膜厚測定装置３２０と、を含んでいる。搬送ローラ３０１〜３０５は、樹脂含浸部３０の内部において、カーボン繊維７００を搬送する。樹脂含浸槽３１０には、４０℃から５０℃の範囲で加熱され、粘度管理が行われている液体状の熱硬化型エポキシ樹脂が収容されている。カーボン繊維７００は、搬送ローラ３０２の下部を搬送されることにより、樹脂含浸槽３１０の熱硬化型エポキシ樹脂に浸される。ここでは、熱硬化型エポキシ樹脂に含浸されたカーボン繊維７００を「樹脂含浸カーボン繊維７１０」とも呼ぶ。膜厚測定装置３２０は、樹脂含浸カーボン繊維７１０の熱硬化型エポキシ樹脂の厚さを測定する。

アイクチ案内部４０は、樹脂含浸カーボン繊維７１０を揃えてライナー７０の外表面に案内する機構であり、揃え口４００と、搬送ローラ４１０と、張力調整部４２０と、を含んでいる。揃え口４００は、複数本の樹脂含浸カーボン繊維７１０を集めて幅方向に並べて揃える。搬送ローラ４１０は、樹脂含浸カーボン繊維７１０を張力調整部４２０に搬送する。張力調整部４２０は、第１のアイクチローラ４３０と、第２のアイクチローラ４４０と、第３のアイクチローラ４５０とを含んでおり、３つのアイクチローラ４３０、４４０、４５０を用いて樹脂含浸カーボン繊維７１０をライナー７０に搬送する。３つのアイクチローラ４３０、４４０、４５０は、搬送される樹脂含浸カーボン繊維７１０との接触によって自身は回転しないように構成されている。このとき、張力調整部４２０は、第３のアイクチローラ４５０に掛かる二方向荷重およびトルクを測定することができる。また、張力調整部４２０は、第２のアイクチローラ４４０の鉛直方向における位置を変化させることによって、第３のアイクチローラ４５０とライナー７０との間の樹脂含浸カーボン繊維７１０の張力（後述する張力Ｔ１）を変化させることができる。張力調整部４２０による荷重やトルクの測定方法や張力Ｔ１を変化させる方法の具体例については後述する。

ライナー回転装置５０は、巻付対象物であるライナー７０を回転させことにより、樹脂含浸カーボン繊維７１０に張力を掛けつつ、ライナー７０に樹脂含浸カーボン繊維７１０を巻き付ける。ライナー７０は、成形製品の形状を形作る芯材となるもので、例えば、高圧タンクを成形する場合は、タンクの内径に対応する筒であってもよい。筒の材質は、例えば、硬質プラスチックとすることができる。ライナー７０は、長手軸が回転可能に支持され、ライナー回転装置５０によって長手軸周りに回転される。アイクチ案内部４０から案内された樹脂含浸カーボン繊維７１０は、その端部がライナー７０の図示しない巻始め部に固定され、ライナー７０の回転によって、ライナー７０の外周に巻き取られる。製品の形状が形作られると、その後硬化処理が行われ、エポキシ樹脂が硬化して、繊維強化樹脂複合製品が成形される。

制御部６０は、張力調整部４２０によって測定された第３のアイクチローラ４５０に掛かる二方向荷重およびトルクを用いて、第３のアイクチローラ４５０とライナー７０との間の樹脂含浸カーボン繊維７１０の張力Ｔ１の値を推定する。また、制御部６０は、推定された張力Ｔ１の値が目標の値となるように第２のアイクチローラ４４０を移動させて張力Ｔ１を調整するフィードバック制御をおこなう。なお、制御部６０は、膜厚測定装置３２０によって測定された樹脂含浸カーボン繊維７１０の熱硬化型エポキシ樹脂の厚さが一定になるように樹脂含浸槽３１０の温度制御をおこなうように構成されていてもよい。

図２は、張力調整部４２０の構成を示す斜視図である。本実施例では、樹脂含浸カーボン繊維７１０は、第１のアイクチローラ４３０側から入り込み、第１のアイクチローラ４３０の上側外周、第２のアイクチローラ４４０の下側外周、および、第３のアイクチローラ４５０の上側外周にそれぞれ接触してライナー７０に案内される。このように、樹脂含浸カーボン繊維７１０は、３つのアイクチローラ４３０、４４０、４５０の外周を上下交互に接触して案内され、さらに、ライナー７０によって巻き取られるため、アイクチローラ４３０、４４０、４５０間や第３のアイクチローラ４５０とライナー７０との間において、樹脂含浸カーボン繊維７１０には適当な張力が生じている。また、各アイクチローラ４３０、４４０、４５０には、その張力の反力が作用している。ここでは、樹脂含浸カーボン繊維７１０において、ライナー７０と第３のアイクチローラ４５０との間の張力を張力Ｔ１（または、第３ローラ出口張力Ｔ１）、第３のアイクチローラ４５０と第２のアイクチローラ４４０との間の張力を張力Ｔ２（または、第３ローラ入口張力Ｔ２、第２ローラ出口張力Ｔ２）、第２のアイクチローラ４４０と第１のアイクチローラ４３０との間の張力を張力Ｔ３（または、第２ローラ入口張力Ｔ３）とも呼ぶ。

張力調整部４２０は、樹脂含浸カーボン繊維７１０の第３ローラ出口張力Ｔ１および第３ローラ入口張力Ｔ２によって、第３のアイクチローラ４５０に掛かる水平方向荷重Ｆｘ、鉛直方向荷重Ｆｙ、および、摩擦トルクＭを測定する。具体的には、張力調整部４２０は、上述した３つのアイクチローラ４３０、４４０、４５０に加えて、摩擦トルクＭを測定するトルク測定部４６０と、水平方向荷重Ｆｘを測定する水平方向荷重測定部４７０と、鉛直方向荷重Ｆｙを測定する鉛直方向荷重測定部４８０とを備える。トルク測定部４６０、水平方向荷重測定部４７０、および、鉛直方向荷重測定部４８０は、それぞれ、制御部６０に接続され、必要に応じて測定値を制御部６０に送信する。

第２のアイクチローラ４４０は、略円筒形の外形を備えており、偏心軸４４１を介して、モータ４４２に接続されている。偏心軸４４１は、軸線が第２のアイクチローラ４４０の仮想の中心軸から所定の距離だけ平行にずれるようにして第２のアイクチローラ４４０の端部に接続されている。モータ４４２は、例えば、制御部６０に接続されたステッピングモータにより構成され、制御部６０によって、偏心軸４４１の回転角度を制御可能に構成され、また、偏心軸４４１の回転角度を変更した状態を保持可能に構成されている。第２のアイクチローラ４４０は、モータ４４２の駆動によって、他のアイクチローラ４３０、４５０に対する鉛直方向における相対的な位置を変更可能に構成されている。

図３は、第２のアイクチローラ４４０の動作を説明するための図である。図３（ａ）は、第２のアイクチローラ４４０の短半径側が樹脂含浸カーボン繊維７１０に接触した状態を示している。図３（ｂ）は、第２のアイクチローラ４４０の長半径側が樹脂含浸カーボン繊維７１０に接触した状態を示している。第２のアイクチローラ４４０は、短半径側が樹脂含浸カーボン繊維７１０に接触した状態では、長半径側が接触した状態よりも、鉛直方向における位置が相対的に高くなり、第２のアイクチローラ４４０と樹脂含浸カーボン繊維７１０との接触角θが相対的に小さくなる。一方、短半径側が樹脂含浸カーボン繊維７１０に接触した状態では、鉛直方向における位置が相対的に低くなり、接触角θが相対的に大きくなる。第２のアイクチローラ４４０は、偏心軸４４１を中心にして回転することにより、接触角θを所定の範囲において連続的に変化可能に構成されている。以下で説明するように、接触角θが増大すると、第２ローラ出口張力Ｔ２が増大する。また、第２ローラ出口張力Ｔ２の増大によって第３ローラ出口張力Ｔ１も増大する。

第２ローラ出口張力Ｔ２と、第２ローラ入口張力Ｔ３と、接触角θとは、オイラーのベルト理論から式（１）の関係が成り立つ。
Ｔ２＝Ｔ３×ｅ^μθ ・・・（１）
このとき、μは、第２のアイクチローラ４４０と樹脂含浸カーボン繊維７１０との間の摩擦係数である。式（１）から、接触角θを大きくなるほど、第２ローラ入口張力Ｔ３に対する第２ローラ出口張力Ｔ２の増加量が大きくなることがわかる。

制御部６０は、後述の方法によって推定した張力Ｔ１の値が目標の値よりも小さい場合には、第２のアイクチローラ４４０の長半径側が樹脂含浸カーボン繊維７１０に接触するように偏心軸４４１を回転させ、その状態を保持する。これにより、接触角θが増大し、張力Ｔ１も増大する。

図４は、水平方向荷重Ｆｘ、鉛直方向荷重Ｆｙ、摩擦トルクＭから張力Ｔ１の値を推定する方法を説明するための図である。まず、下記の式（２）を用いて、摩擦トルクＭから第３のアイクチローラ４５０に掛かる回転方向荷重Ｆｍを算出する。
Ｆｍ＝Ｍ／ｒ・・・（２）
ここで、ｒは、第３のアイクチローラ４５０の半径である。

ここでは、ライナー７０と第３のアイクチローラ４５０との間の樹脂含浸カーボン繊維７１０と、水平方向とのなす角を第３ローラ出口角度θ１、第３のアイクチローラ４５０と第２のアイクチローラ４４０との間の樹脂含浸カーボン繊維７１０と、水平方向とのなす角を第３ローラ入口角度θ２とも呼ぶ。第３ローラ入口角度θ２は、第２のアイクチローラ４４０と第３のアイクチローラ４５０との位置関係により決定するため、第２のアイクチローラ４４０の位置と相関するモータ４４２または偏心軸４４１の回転角度から一意に特定することができる。

水平方向荷重Ｆｘ、鉛直方向荷重Ｆｙ、回転方向荷重Ｆｍ、第３ローラ出口角度θ１、第３ローラ入口角度θ２、第３ローラ出口張力Ｔ１、第３ローラ入口張力Ｔ２について、下記の式（３）、（４）、（５）が成り立つ。
Ｆｘ＝Ｔ１ｃｏｓθ１＋Ｔ２ｃｏｓθ２・・・（３）
Ｆｙ＝Ｔ１ｓｉｎθ１＋Ｔ２ｓｉｎθ２・・・（４）
Ｔ１＝Ｔ２＋Ｆｍ・・・（５）

式（３）〜（５）より、下記の式（６）を導くことができる。
Ｔ１＝｛Ｆｘ^２＋Ｆｙ^２−２×Ｆｍ（Ｆｘｃｏｓθ２−Ｆｙｓｉｎθ２）＋Ｆｍ^２｝／−２（Ｆｘｃｏｓθ２−Ｆｙｓｉｎθ２−Ｆｍ）・・・（６）
ここで、水平方向荷重Ｆｘ、鉛直方向荷重Ｆｙ、回転方向荷重Ｆｍ、および、第３ローラ入口角度θ２は既知の値であるから、これらの値と式（６）から、張力Ｔ１を推定することができる。

なお、第３のアイクチローラ４５０と樹脂含浸カーボン繊維７１０との接触角θ１＋θ２と、第３ローラ出口張力Ｔ１と、第３ローラ入口張力Ｔ２とは、オイラーのベルト理論から式（７）の関係が成り立つ。
Ｔ１＝Ｔ２×ｅ^{μ１（θ１＋θ２）} ・・・（７）
このとき、μ１は、第３のアイクチローラ４５０と樹脂含浸カーボン繊維７１０との間の摩擦係数である。式（７）から、第２のアイクチローラ４４０の第３のアイクチローラ４５０に対する相対的な移動によって、第２ローラ出口張力Ｔ２（第３ローラ入口張力Ｔ２）と、第３ローラ入口角度θ２とが大きくなると、第３ローラ出口張力Ｔ１が大きくなることがわかる。

図５は、トルク測定部４６０の一例を示した説明図である。トルク測定部４６０は、板バネ４６２、ピン４６４と、ギャップセンサ４６６とを含んでいてもよい。板バネ４６２は、平板状の部材であり、基端部が第３のアイクチローラ４５０に固定され、上端部がピン４６４と接触している。板バネ４６２は、このピン４６４によって、第３のアイクチローラ４５０を回転軸とした回動方向への移動が規制されている。ギャップセンサ４６６は、板バネ４６２と対向する位置に配置され、自身と板バネ４６２との間の距離の変化量を検出する。第３のアイクチローラ４５０に摩擦トルクが生じると、板バネ４６２の基端部は、第３のアイクチローラ４５０の回動にともなって回動方向に移動する。一方、板バネ４６２の上端部は、ピン４６４によって回動方向への移動が規制されているため、板バネ４６２が撓み、板バネ４６２とギャップセンサ４６６との間の距離が変化する。トルク測定部４６０は、ギャップセンサ４６６が検出したこの変化量から、第３のアイクチローラ４５０に生じた摩擦トルクの大きさを推定することができる。

以上説明した、本実施形態に係るフィラメントワインディング装置１０によれば、張力調整部４２０の高さ方向の寸法を、偏伸ローラである第２のアイクチローラ４４０の鉛直方向における変位量に基づいて設定することができる。そのため、例えば、シリンダによってアームを伸縮させて繊維の張力を調整する張力調整機構と比べて、張力調整機構を小型化することができる。また、張力調整部４２０を配置したアイクチ案内部４０の小型化を図ることができる。張力調整部４２０をアイクチ案内部４０に配置することで、張力調整部がアイクチ案内部より上流側に配置されたフィラメントワインディング装置と比べて、ライナー７０に巻き付けられる繊維の張力をより正確に調整することができる。これは、張力調整部によって繊維の張力が調整された後、ライナーに巻き付けられるまでの間における、繊維の張力の変化量を小さくすることができるためである。

また、実施形態に係るフィラメントワインディング装置１０によれば、制御部６０は、第３のアイクチローラ４５０に掛かる水平方向荷重Ｆｘと、鉛直方向荷重Ｆｙと、摩擦トルクＭとを用いて、第３のアイクチローラ４５０とライナー７０との間の張力Ｔ１を推定するため、張力Ｔ１の推定精度の向上を図ることができる。例えば、アイクチローラに掛かる一方向の荷重のみから張力を推定する場合、アイクチローラの出口側で繊維方向が変動したときにアイクチローラに掛かる荷重が変化するため、張力を正しく測定することが困難であった。一方、実施形態に係るフィラメントワインディング装置１０によれば、式（６）に示すように、第３ローラ出口角度θ１によらず、張力Ｔ１を推定することができる。

Ｂ．変形例：
なお、この発明は上記の実施形態や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

Ｂ−１．変形例１：
本実施形態は、アイクチ案内部４０が特定の体勢となっているときの一例を示しているだけであり、明細書中に「水平方向」、「鉛直方向」と記載されている部分は、アイクチ案内部４０の体勢によっては、必ずしも、「水平方向」、「鉛直方向」とならなくてもよい。

Ｂ−２．変形例２：
本実施形態では、エポキシ樹脂が含浸されていないカーボン繊維７００を用いるとして説明したが、カーボン繊維７００の代わりに樹脂が含浸されたプリプレグを用いても良い。プリプレグは、炭素繊維に樹脂を含浸させたシート状の部材である。樹脂としては、例えばエポキシ樹脂を用いても良い。プリプレグの状態では、エポキシ樹脂は熱硬化していないので、プリプレグをライナー７０に巻き付けることが可能である。なお、プリプレグを用いる場合には、樹脂含浸槽３１０は無くても良い。

Ｂ−３．変形例３：
制御部６０は、樹脂含浸カーボン繊維７１０の張力に応じて、ライナー回転装置５０の回転速度を制御するように構成されていてもよい。

Ｂ−４．変形例４：
トルク測定部４６０は、板バネ４６２、ピン４６４と、ギャップセンサ４６６とを含んでいてもよいと説明したが、ギャップセンサ４６６の代わりにひずみゲージを備えていてもよい。この場合、ひずみゲージを板バネ４６２に貼り付けられる。トルク測定部４６０は、板バネ４６２のひずみによる電気抵抗の変化から、第３のアイクチローラ４５０に生じた摩擦トルクの大きさを推定することができる。

１０…フィラメントワインディング装置
２０…繊維巻出部
３０…樹脂含浸部
４０…アイクチ案内部
５０…ライナー回転装置
６０…制御部
７０…ライナー
２０１〜２０４…ボビン
２１１〜２１４…搬送ローラ
２２０…結束ローラ
３０１〜３０５…搬送ローラ
３１０…樹脂含浸槽
３２０…膜厚測定装置
４００…揃え口
４１０…搬送ローラ
４２０…張力調整部
４３０…第１のアイクチローラ
４４０…第２のアイクチローラ
４４１…偏心軸
４４２…モータ
４５０…第３のアイクチローラ
４６０…トルク測定部
４６２…板バネ
４６４…ピン
４６６…ギャップセンサ
４７０…水平方向荷重測定部
４８０…鉛直方向荷重測定部
７００…カーボン繊維
７１０…樹脂含浸カーボン繊維

Claims

ライナーの外表面に繊維を巻き付けるフィラメントワインディング装置であって、
前記繊維を巻き出す繊維巻出部と、
前記繊維巻出部から供給される前記繊維を前記ライナーの外表面に案内するアイクチ案内部と、を備え、
前記アイクチ案内部は、
偏心軸を有する偏心ローラであって、前記ライナーの外表面に案内される前記繊維と接触する偏心ローラと、
前記偏心軸を回転させて、前記偏心ローラと前記繊維との接触角を変更した状態で前記偏心ローラを保持することで、前記偏心ローラが前記繊維に付与する張力を調整する駆動部と、を備えるフィラメントワインディング装置。