JP2016159446A

JP2016159446A - フィラメントワインディング装置

Info

Publication number: JP2016159446A
Application number: JP2015037484A
Authority: JP
Inventors: 健八田; Takeshi Hatta
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2015-02-26
Filing date: 2015-02-26
Publication date: 2016-09-05
Anticipated expiration: 2035-02-26
Also published as: JP6375997B2

Abstract

【課題】ライナー上に巻き付けられる繊維束の位置が設計値から外れ続けることを抑制すること。
【解決手段】ライナーの外表面に繊維束を巻き付けて高圧タンクを製造するフィラメントワインディング装置は、繊維束を供給する繊維巻出機構と、繊維巻出機構から供給される繊維束を前記ライナーの外表面にガイドするガイドローラを備えるガイド機構と、繊維束からのガイドローラに付与される圧力を検出する検出部と、検出部が検出した繊維束からの圧力に基づいて、ガイドローラの軸方向の傾きを変化するように制御し、ガイドローラ上における繊維束の位置を許容範囲内部に収める制御部と、を備える。
【選択図】図３

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複数の繊維を束ねた樹脂含浸繊維束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（特許文献１）。フィラメントワインディング装置は、ライナーの外表面に繊維束をガイドするガイドローラを備えるガイド機構を有する。

特開２００７−１９０６９７号公報

ライナー上に巻き付けられる繊維束の位置は、高圧タンクの強度や寸法等が所定の条件を満たすように設計上決められている。そのため、特許文献１に記載されたフィラメントワインディング装置は、ライナー上における繊維束の位置が設計値通りになるように、ガイド機構を移動させつつ繊維束を巻き付けている。ここで、ガイド機構は、ガイドローラ上の予め定めた許容範囲内で繊維束がガイドされている場合に、ライナー上における繊維束の位置が設計値通りになるように予め定められたプログラムに基づいて移動しつつ繊維束を巻き付けている。しかし、特許文献１に記載されたフィラメントワインディング装置では、ガイド機構のガイドローラ上における繊維束の位置を検出できない。そのため、ガイドローラ上における繊維束の位置が想定している許容範囲から外れている場合には、予め定められたプログラムに基づいて移動しつつ繊維束を巻き付けたとしても、繊維束の位置が設計値から外れ続けるおそれがあった。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部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）本発明は、ライナーの外表面に繊維束を巻き付けて高圧タンクを製造するフィラメントワインディング装置であり、前記繊維束を供給する繊維巻出機構と；前記繊維巻出機構から供給される前記繊維束を前記ライナーの外表面にガイドするガイドローラを備えるガイド機構と；前記繊維束からの前記ガイドローラに付与される圧力を検出する検出部と；前記検出部が検出した前記繊維束からの圧力に基づいて、前記ガイドローラの軸方向の傾きを変化するように制御し、前記ガイドローラ上における前記繊維束の位置を許容範囲内部に収める制御部と、を備える。このようなフィラメントワインディング装置であれば、検出部が検出した繊維束からのガイドローラに付与される圧力に基づいてガイドローラの軸方向の傾きを変化できるので、ガイドローラ上における繊維束の位置を許容範囲内部に収めることができる。そのため、ライナーに巻き付けられる繊維束の位置が設計値から外れ続けることを抑制できる。

（２）本発明の他の形態は、ライナーの外表面に繊維束を巻き付けるフィラメントワインディング装置であり、前記繊維束を供給する繊維巻出機構と；前記繊維巻出機構から供給される前記繊維束を前記ライナーの外表面にガイドするガイドローラを備えるガイド機構と；前記繊維束からの前記ガイドローラに付与される圧力を検出する検出部と；前記検出部が検出した前記繊維束からの圧力に基づいて、前記ライナーを回転させるライナー回転装置の回転を停止することで前記ライナーに前記繊維束を巻回することを中止する制御部と、を備える。このようなフィラメントワインディング装置であれば、検出部が検出した繊維束からのガイドローラに付与される圧力に基づいて、ライナーに繊維束を巻回することを中止することができる。そのため、ライナーに巻き付けられる繊維束の位置が設計値から外れ続けることを抑制できる。

本発明のフィラメントワインディング装置の説明図である。本発明のガイド機構の構成を示す側面視した断面図である。本発明のガイド機構の構成を示す上面図である。本発明の検出部を側面視した断面図である。

図１に示すように、フィラメントワインディング装置１０は、繊維巻出機構２０と、樹脂含浸機構３０と、ガイド機構４０と、ライナー回転装置５０と、制御部６０と、を備える。

繊維巻出機構２０は、繊維束を巻きだす機構であり、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、を有する。ボビン２０１〜２０４は、糸を巻き付ける筒状の部材であり、カーボン繊維束７００が巻き付けられている。カーボン繊維束７００としては、例えば、ポリアクリル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束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束７００をそろえて、樹脂含浸機構３０へ搬送する。

樹脂含浸機構３０は、カーボン繊維束７００に対してエポキシ樹脂の含浸を行う機構であり、複数の搬送ローラ３０１〜３０５と、樹脂含浸槽３１０と、を有する。搬送ローラ３０１〜３０５は、カーボン繊維束７００をガイド機構４０へ搬送する。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。カーボン繊維束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束７００を「樹脂含浸カーボン繊維束７１０」とも呼ぶ。

ガイド機構４０は、樹脂含浸カーボン繊維束７１０を揃えてライナー７０の外表面にガイドする機構である。ガイド機構４０は、第１ガイドローラ４１０と、第２ガイドローラ４２０と、第３ガイドローラ４３０と、を有しており、第１から第３ガイドローラ４３０、第２ガイドローラ４２０、第３ガイドローラ４３０を用いて樹脂含浸カーボン繊維束７１０をライナー７０に搬送する。第１ガイドローラ４１０、第２ガイドローラ４２０、第３ガイドローラ４３０は、搬送される樹脂含浸カーボン繊維束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。ガイド機構４０は、第２ガイドローラ４２０、および、第３ガイドローラ４３０に掛かる圧力を検出する複数の検出部４４０と、を有する。また、ガイド機構４０は、後述する制御部６０によって予めプログラムされた動作に基づいて、移動しながらライナー７０の外表面に樹脂含浸カーボン繊維束７１０をガイドする。

ライナー回転装置５０は、巻き付け対象であるライナー７０を回転させることにより、樹脂含浸カーボン繊維束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束７１０を巻き付ける。ライナー７０は、タンクの内径に対応する筒であり、例えば、硬質プラスチックで形成されている。ライナー７０は、長軸が回転可能に支持され、ライナー回転装置５０によって長軸周りに回転される。ガイド機構４０からガイドされた樹脂含浸カーボン繊維束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、繊維強化された高圧タンクが成形される。

制御部６０は、ＣＰＵ等を備える制御装置であり、樹脂含浸槽３１０、ガイド機構４０、ライナー回転装置５０と電気的に接続される。制御部６０は、検出部４４０によって検出された圧力のデータを受信して、樹脂含浸カーボン繊維束７１０の第２ガイドローラ４２０または第３ガイドローラ４３０上の位置を検出する。制御部６０は、樹脂含浸カーボン繊維束７１０の第２ガイドローラ４２０または第３ガイドローラ４３０上の位置が許容範囲内となるように、第２ガイドローラまたは第３ガイドローラ４３０の軸方向の傾きを変化させる制御を行う。また、制御部６０は、検出部４４０によって検出された圧力のデータを受信して、樹脂含浸カーボン繊維束７１０の張力を検出する。制御部６０は、樹脂含浸カーボン繊維束７１０の張力が目標の値となるように、第２ガイドローラ４２０を上下方向に移動させる制御を行う。また、制御部６０は、予め定めたプログラムに基づいて、ガイド機構４０を移動させつつライナー上に繊維束をガイドするように制御する。また、制御部６０は、予め定めたプログラムに基づいて、ライナー回転装置５０のライナー７０の回転速度を制御する。また、制御部６０は、樹脂含浸槽３１０の槽内に配置された図示しない加熱手段を制御して、液体状の熱硬化型エポキシ樹脂を４０℃から５０℃の範囲に加熱している。

図２はガイド機構４０を側面視した断面図である。図２に示すように、樹脂含浸カーボン繊維束７１０は、第１ガイドローラ４１０側から入り込み、第１ガイドローラ４１０の上面外周、第２ガイドローラ４２０の下側外周、および、第３ガイドローラ４３０の上側外周にそれぞれ接触してライナー７０にガイドされる。このように、樹脂含浸カーボン繊維束７１０は、第１ガイドローラ４１０、第２ガイドローラ４２０、第３ガイドローラ４３０の外周を上下交互に接触してガイドされて、ライナー７０によって巻き取られる。そのため、第１ガイドローラ４１０、第２ガイドローラ４２０、第３ガイドローラ４３０との間や第３ガイドローラ４３０とライナー７０との間において、樹脂含浸カーボン繊維束７１０には適当な張力が生じている。

図３は、ガイド機構４０の構成を示す上面図である。本実施例では、第１ガイドローラ４１０および第２ガイドローラ４２０は、軸方向の中央部の直径が端部の直径よりも大きい太鼓型ローラである。第３ガイドローラ４３０は、軸方向の中央部の直径が端部の直径よりも小さい鼓型ローラである。第３ガイドローラ４３０の表面上には、圧力を検出できる複数の検出部４４０である複数の圧力検出シートがローラの軸方向に沿って設置されている。第３ガイドローラ４３０の軸方向の中央部に第１圧力検出シート４４１が、その両側に第２圧力検出シート４４２、第３圧力検出シート４４３が配置されている。また、第２ガイドローラ４２０の表面上にも同様に、ローラの軸方向の中央部に第４圧力検出シート４４４が、その両側に第５圧力検出シート４４５、第６圧力検出シート４４６が配置されている。本実施形態では、ガイドローラ上の予め定めた許容範囲とは、第１圧力検出シート４４１、および、第４圧力検出シート４４４が占める範囲である。樹脂含浸カーボン繊維束７１０が予め定めた許容範囲内に位置する場合、樹脂含浸カーボン繊維束７１０は、第１圧力検出シート４４１上、および、第４圧力検出シート４４４上を通過し、第１圧力検出シート４４１および第４圧力検出シート４４４に圧力を与える。

図４は検出部４４０である圧力検出シートを側面視した断面図を示す。図４に示すように、圧力検出シートは、２枚の印刷されたパッキングシート８００の印刷面が対面するように重ねて形成される。印刷されたパッキングシート８００は、ポリエチレンテレフタレートからなるパッキングシート８００上に、導電性のシルバーペーストからなる電極８１０と、圧力の増加に伴い抵抗値が低下する感圧抵抗性物質８２０と、が下から順に印刷されて形成されている。印刷された電極８１０および感圧抵抗性物質８２０はパッキングシート８００上に所定の間隔を有して平行に形成されている。上面から見て電極８１０および感圧抵抗性物質８２０が直角に交わる向きとなるように重ねて、圧力検出シートは形成されている。

２枚の印刷されたパッキングシート８００のそれぞれの感圧抵抗性物質８２０が交わる部分が感圧部分である。感圧部分に圧力が加わると、感圧抵抗性物質８２０の抵抗値が低下する。抵抗値は電極８１０を通してセンサーコネクタに伝えられ、抵抗値から圧力検出シート全体に加わる圧力が検出される。

ここで、第３ガイドローラ４３０上における樹脂含浸カーボン繊維束７１０の位置の検出および第３ガイドローラ４３０の制御について説明する。制御部６０は、第２圧力検出シート４４２および第３圧力検出シート４４３からの信号を受信する。ここで、第２圧力検出シート４４２および第３圧力検出シート４４３は、予め定めた許容範囲の範囲外に配置されている。そのため、制御部６０は、第２圧力検出シート４４２または第３圧力検出シート４４３から圧力を検出した場合に、樹脂含浸カーボン繊維束７１０が許容範囲の範囲外に位置し、圧力を検出した圧力検出シートの方向に存在することを検出する。同様に、制御部６０は、第２ガイドローラ４２０上の第５圧力検出シート４４５または第６圧力検出シート４４６からの信号によって、樹脂含浸カーボン繊維束７１０が許容範囲の範囲外に位置し、圧力を検出した圧力検出シートの方向に存在することを検出する。また、制御部６０は、第１圧力検出シート４４１および第４圧力検出シート４４４が検出した圧力によって樹脂含浸カーボン繊維束７１０に生じている張力を算出する。

制御部６０は、樹脂含浸カーボン繊維束７１０が許容範囲の範囲外にあることを検出した場合に、樹脂含浸カーボン繊維束７１０が存在する方向が重力方向上になるように第２ガイドローラ４２０または第３ガイドローラ４３０の中心軸の傾きを変化させる。これにより、樹脂含浸カーボン繊維束７１０がガイドローラの軸方向の端側から許容範囲内である中央部へ移動してくるので、ガイドローラ上における樹脂含浸カーボン繊維束７１０の位置を許容範囲内に修正することができる。そのため、ライナー７０に巻き付けられる樹脂含浸カーボン繊維束７１０の位置が設計値から外れ続けることを抑制できる。

＜変形例１>
制御部６０は、樹脂含浸カーボン繊維束７１０が許容範囲の範囲外にあることを検出した場合に、ライナー回転装置５０によるライナー７０の回転を停止させて、ライナー７０に樹脂含浸カーボン繊維束７１０を巻回することを中止してもよい。このような形態であれば、ガイドローラ上の樹脂含浸カーボン繊維束７１０が許容範囲の範囲外にあることを検出した時点でライナー７０に繊維束を巻回することを中止することができる。そのため、ライナー７０に巻き付けられる繊維束の位置が設計値から外れ続けることを抑制できる

＜変形例２＞
上記実施形態では、圧力検出シートは第２ガイドローラ４２０上および第３ガイドローラ４３０上に配置されたが、圧力検出シートの配置はこれに限られない。例えば、第２ガイドローラ４２０上または第３ガイドローラ４３０上のみに圧力検出シートを配置してもよいし、第１ガイドローラ４１０上にも圧力検出シートを配置しても良い。また、第１圧力検出シート４４１、および、第４圧力検出シート４４４はなくてもよい。

＜変形例３＞
上記実施形態では、制御部６０は、第３ガイドローラ４３０上の許容範囲の範囲外にある第２圧力検出シート４４２または第３圧力検出シート４４３が圧力を検出した場合に、樹脂含浸カーボン繊維束７１０が許容範囲の範囲外にあることを検出していたが、これに限られない。制御部６０は、第３ガイドローラ４３０上の第１圧力検出シート４４１が検出する圧力が所定値を下回った場合に、樹脂含浸カーボン繊維束７１０が許容範囲の範囲外にあると検出してもよい。第２ガイドローラ４２０上の第４圧力検出シート４４４についても同様に検出する圧力が所定値を下回った場合に、制御部６０は、樹脂含浸カーボン繊維束７１０が許容範囲の範囲外にあると検出してもよい。

本発明は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態あるいは変形例１中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

１０…フィラメントワインディング装置
２０…繊維巻出機構
３０…樹脂含浸機構
４０…ガイド機構
５０…ライナー回転装置
６０…制御部
７０…ライナー
２０１、２０２、２０３、２０４…ボビン
２１１、２１２、２１３、２１４…搬送ローラ
２２０…結束ローラ
３０１、３０２…搬送ローラ
３１０…樹脂含浸槽
４１０…第１ガイドローラ
４２０…第２ガイドローラ
４３０…第３ガイドローラ
４４０…検出部
４４１…第１圧力検出シート
４４２…第２圧力検出シート
４４３…第３圧力検出シート
４４４…第４圧力検出シート
４４５…第５圧力検出シート
４４６…第６圧力検出シート
７００…カーボン繊維束
７１０…樹脂含浸カーボン繊維束
８００…パッキングシート
８１０…電極
８２０…感圧抵抗性物質

Claims

ライナーの外表面に繊維束を巻き付けて高圧タンクを製造するフィラメントワインディング装置において、
前記繊維束を供給する繊維巻出機構と、
前記繊維巻出機構から供給される前記繊維束を前記ライナーの外表面にガイドするガイドローラを備えるガイド機構と、
前記繊維束からの前記ガイドローラに付与される圧力を検出する検出部と、
前記検出部が検出した前記繊維束からの圧力に基づいて、前記ガイドローラの軸方向の傾きを変化するように制御し、前記ガイドローラ上における前記繊維束の位置を許容範囲内部に収める制御部と、を備えるフィラメントワインディング装置。