JP2017177660A - 筒体の製造装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】繊維束をライナやマンドレルなどに巻き付ける際に、撚れた繊維束が成形体に含まれることを防ぎ、かつ、張力変動を抑えて繊維束に一定の張力を付加できる筒体の製造装置を提供することを目的とする。【解決手段】前記ボビンと前記マンドレルとの間に、前記繊維束を搬送するガイドロール群が設けられ、前記ガイドロール群は、少なくとも前記繊維束と最初に接する第１のガイドロールと、前記第１のガイドロールの下流側に配置される第２のガイドロールを少なくとも有し、前記第２のガイドローラと接する前記繊維束の巻き付き角度θと前記第１のガイドローラの中心と前記第２のガイドローラの中心との距離Ｌとが（１）式と（２）式の関係を有する。１８０／ｓｉｎ（θ／２）≦Ｌ≦１５００ （３０°≦θ＜７０°）・・・（１）３１３≦Ｌ≦１５００ （７０°≦θ≦１７０°）・・・（２）【選択図】図１

Description

本発明は、筒体の製造装置およびその製造方法に関する。

炭素繊維はその優れた機械的特性、特に比強度、比弾性率が高いという特徴を有しているため、自動車など一般産業用途などに広く使用されており、その成形方法も様々に開発されている。この中でもフィラメントワインディング成形方法（以下ＦＷ（Ｆｉｌａｍｅｎｔ Ｗｉｎｄｉｎｇ）成形方法と称す場合がある）は、その優れた成形性、および、得られる炭素繊維強化複合材料の特性から炭素繊維に広く適用されている。

特に、近年注目されている燃料電池自動車や天然ガス自動車などの燃料用容器には、軽量かつ高性能な特性を得るために、炭素繊維を補強繊維としてＦＷ成形方法で成形した圧力容器が使用され始めている。圧力容器は、樹脂製または金属製内容器等のマンドレルの外面に単位密度当りの強度が非常に高い炭素繊維強化プラスチック材（以下ＣＦＲＰと称す：Ｃａｒｂｏｎ Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅ Ｐｌａｓｔｉｃ）等を巻き付けて補強している。

このような圧力容器を製造する際、例えばＦＷ成形方法のように炭素繊維等の繊維束にエポキシ樹脂等の樹脂溶液を含浸させた状態で樹脂製内容器の外面に巻き付けた後、樹脂を硬化させて補強層を形成する。

ＦＷ成形方法で圧力容器を製造する場合、ボビンから繊維束を解舒する際は、繊維束が対称移動しながら解舒されるので、繊維束が回転して撚れ、幅や厚みにバラツキが生じやすくなる。また、マンドレルに繊維束を巻きつける際は、デリバリーアイが広範囲に移動するので、繊維束が撚れ、幅や厚みにばらつきが生じやすくなる。繊維束が撚れると、撚れた部分は張力が均一にかからないため、強度が低下し、その部分から成形体が破壊しやすくなり、本来のコンポジット特性を十分に発現できない原因となる。

他にも、繊維束がガイドを通過する際に繊維束が擦過して損傷したり、擦過した糸くず（以下毛羽と称することがある）がガイド上に蓄積することで、毛羽取り作業が必要になったりする。

このように、ＦＷ成形方法では、繊維束に均一に、一定の張力を負荷しながらマンドレルに巻き付けること、そして、毛羽の発生と蓄積を抑えることが重要である。

特許文献１（特開２０１２−１５４０００号公報）では、「糸道ガイドがガイドロールと該ガイドロールを支持する支持部材とからなり、該支持部材は、前記ガイドロールの回転軸に対し直角にねじれた位置に回転軸を有するものであり、糸道の変動に対応して、該支持部材の回転軸を回転中心とする回転により該ガイドロールが糸道に対して傾けられる（請求項４参照）」構成が記載され、「特定のプリカーサを使用し、特定の巻き上げ方法を適用することによって、糸幅が均一な扁平形状で、解舒に際してその断面形状を矩形に保ったまま、糸幅が均一で糸束が回転することなく引き出され、樹脂含浸後、マンドレルなどに巻き上げた際に、繊維束の反転や、拡がりの斑を防ぎ、糸幅の変動を生じない」効果が開示されている。

特許文献１において、糸道を外れる動作をする繊維束を本来の糸道方向に案内する糸ガイド機構を具備することにより、糸幅が均一で糸束が回転することなく引き出されることが開示されている。しかし、最終ガイドローラ２３がプレッシャーローラ１６の軸およびパッケージ１４の巻取り方向と平行し、トラバース装置内で繊維束が約９０°にひねられる構造になっており、その際に送り出されてきた繊維束が拡幅したり、ねじれたり、折りたたまれたりし、その結果、張力変動が大きくなる懸念がある。また、糸ガイド機構が複雑になり、ＦＷ成形方法のような、複数のボビンから繊維束を給糸する成形方法では、ひねられる糸道の調整に手間がかかる課題もある。

特許文献２（特開２００５−８８５３６号公報）では、「多数本のボビンから引き出された複数本の強化繊維束の引出し直後に案内する部位及び同部位の下流側直後に案内する部位の双方に、一対の固定式のガイドが配されていること、各ボビンから芯材への強化繊維束搬送路中に独立回転形のガイドローラが配されていること、搬送中の各強化繊維束を芯材へ送り出すトラバース部の出口部に一体回転形のガイドローラが配されている」構成が記載され、「各強化繊維束に対して張力を均等に与えることができ、強化繊維束に混入するヨリ（捩じれ）を除去することができるように構成されており、強化繊維束の強度の低下を防止できる」効果が開示されている。

しかし、特許文献２の構成では、繊維束が固定ガイドを通過するときに摩擦力が大きくなり擦過されやすい。また、発生した毛羽がガイドに蓄積し、頻繁な毛羽取り作業が必要となり、作業効率が悪化したり、また、擦過で繊維束が損傷し、成形体の強度が低下する場合がある。さらに、ＦＷ成形方法では、マンドレル手前のトラバース部の移動に伴い、繊維束が回転して撚れやすい傾向にあるが、トラバース部での繊維束の反転については、対策がとられていない。

特許文献３（特開２０１１−１４８１４６号公報）では、「開繊用ローラを用いて強化繊維束を開繊する開繊部と、開繊した強化繊維を樹脂含浸用ローラを用いて移動させながら樹脂を含浸させて複合化させる樹脂含浸部とを有するプリプレグの製造装置において、該開繊用ローラの回転速度が該樹脂含浸用ローラの回転速度よりも小さい」構成が記載され、「強化繊維束に適度な張力を付与し、開繊用ローラ表面で適度な摩擦を強化繊維に付与することにより、傷や毛羽立ちも防ぎつつ強化繊維束を開繊させる」効果が開示されている。

しかし、特許文献３の構成では、開繊用ローラの回転速度よりも樹脂含浸用ローラの回転速度を早くすることにより、これらのローラ間での繊維にかかる引張張力は増大するが、反面、繊維への負荷が大きくなり、損傷につながる場合がある。また、引張張力を増大させるだけでは毛羽立ちを防ぐには不十分である。さらに、プリプレグ製造工程は、ＦＷ成形工程と比較して、低速で、かつ、デリバリーアイの広範囲な移動もないため、ＦＷ成形方法において、特許文献３の効果が実証できると考えづらい。さらに、フィラメント開繊用ローラと含浸用ローラの速度比が７０：１００であっても、撚れた繊維束はそのまま流されて成形体に含まれてしまう懸念が残る。

特許文献４（特開２００５−３２５１９１号公報）では、「強化繊維シートの搬送方向と同一方向に周速度Ｖｒで回転する駆動ローラーに接触させ、該周速度Ｖｒを強化繊維シートの搬送速度Ｖｆに対して、０＜Ｖｒ／Ｖｆ≦０．９の範囲内とする一方向に引き揃えられた走行する複数本の強化繊維束を開繊して得られる強化繊維シートの」構成が記載され、「開繊、拡幅における強化繊維の蛇行を解消することによって、強化繊維束を構成する単繊維の配向の乱れを改善し、ワレ欠点の発生を防止しながらワレ欠点の少ない品質、品位の良好なプリプレグを製造できる」効果が開示されている。

しかし、特許文献４の構成において、駆動ローラの配置の仕方について検討されていないので、撚り止めは難しい。また、強化繊維シートの搬送速度よりも低速で駆動ローラを駆動して強化繊維シートと接触させる構成を取っているが、強化繊維束を開繊させる開繊手段から引き出された強化繊維シートに対し、単に、低速で駆動する駆動ローラを接触させるだけでは強化繊維シートにかかる張力に乱れや変動が生じて、強化繊維束の強度の低下につながる場合がある。また、プリプレグの製造を対象としているので、繊維束の送り速度も５〜６ｍ／ｍｉｎであり、一般的なＦＷ成形方法の速度、少なくとも３０ｍ／ｍｉｎよりも、遥かに遅い走行速度しか想定されていない。さらに、ＦＷ成形方法では、複雑形状のモノを成形するためにデリバリーアイを使用し、繊維束を広範囲に移動させるが、プリプレグ製造はデリバリーアイの使用を想定していない。以上の理由で、ＦＷ成形において、例えば３０ｍ／ｍｉｎ以上の早い繊維束の走行速度や、複雑形状のモノを成形するためデリバリーアイを使用し、１ｍ以上の広範囲な繊維束の移動の際に生じやすい、繊維束の反転や張力変動の抑制についての対策は不十分であり、課題が残っている。

特開２０１２−１５４０００号公報 特開２００５−８８５３６号公報 特開２０１１−１４８１４６号公報 特開２００５−３２５１９１号公報

本発明は、かかる従来技術の問題点に鑑み、一定数のフィラメント数を有する繊維束をマンドレルなどに巻き付けるまでの工程で発生した撚れた繊維束が成形体に巻かれることを防止することを目的とする。また、撚れた繊維束に起因する張力変動を緩和することで、成形体の強度低下を抑制でき、さらに、繊維束の毛羽立ちを抑制し、毛羽取り作業を減らすことのできる筒体の製造装置およびその製造方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために本発明は以下の手段を採用するものである。すなわち、
［１］連続繊維を複数束ねた繊維束が巻き付けられたボビンから前記繊維束を繰り出し、マンドレルに巻き付ける筒体の製造装置であって、
前記ボビンと前記マンドレルとの間に、前記繊維束を搬送するガイドロール群が設けられ、
前記ガイドロール群は、少なくとも前記繊維束と最初に接する第１のガイドロールと、前記第１のガイドロールの下流側に配置される第２のガイドロールを少なくとも有し、
前記第１のガイドローラと前記第２のガイドローラとは、前記繊維束の異なる面と接触するように配置され、
前記第２のガイドローラと接する前記繊維束の巻き付き角度θ（°）が３０°≦θ≦１７０°であるとともに、３０°≦θ＜７０°の場合は（１）式を満たし、７０°≦θ≦１７０°の場合は（２）式を満たすことを特徴とする筒体の製造装置。
１８０／ｓｉｎ（θ／２）≦Ｌ≦１５００ （３０°≦θ＜７０°）・・・（１）
３１３≦Ｌ≦１５００ （７０°≦θ≦１７０°）・・・（２）
ここで、Ｌ（ｍｍ）は前記第１のガイドローラの中心と前記第２のガイドローラの中心との距離である。
［２］第１のガイドローラの周速度が前記繊維束の送り出し速度と等速であることを特徴とする［１］に記載の筒体の製造装置。
［３］第２のガイドローラの周速度が繊維束の送り出し速度に対して遅いことを特徴とする［１］または［２］に記載の筒状の製造装置。
［４］第２のガイドローラの周速度が繊維束の送り出し速度に対して０．００１〜０．５倍の速度であることを特徴とする［３］に記載の筒体の製造装置。
［５］前記繊維束の送り出し速度が３０〜１００ｍ／ｍｉｎであることを特徴とする［２］〜［４］のいずれかに記載の筒体の製造装置。
［６］前記ガイドローラ群は、前記第２のガイドローラの下流側に第３のガイドローラを更に有し、
前記第１のガイドローラに前記繊維束の引張張力を計測するセンシング手段を具備し、前記引張張力の変動に応じて前記第３のガイドローラの周速度を制御する制御手段を具備することを特徴とする［２］〜［５］のいずれか記載の筒体の製造装置。
［７］前記繊維束の送り出し速度に対する第３のガイドローラの周速度を、前記引張張力の変動に応じて０〜１倍の範囲で調節することを特徴とする［６］に記載の筒体の製造装置。
［８］前記ボビンと前記マンドレルとの間に、前記繊維束に溶融樹脂を含浸させる樹脂含浸部をさらに備えることを特徴とする［１］〜［７］のいずれかに記載の筒体の製造装置。
［９］前記ガイドローラ群を前記ボビンと前記樹脂含浸部との間に配置することを特徴とする［８］に記載の筒体の製造装置。
［１０］前記ガイドローラ群を前記樹脂含浸部と前記マンドレルとの間に配置することを特徴とする［８］または［９］に記載の筒体の製造装置。
［１１］連続繊維を複数束ねた繊維束が巻き付けられたボビンから前記繊維束を引き出す工程と、
前記ボビンから前記繊維束を搬送し、樹前記繊維束に樹脂含浸させる工程と、
搬送された前記繊維束をマンドレルに巻き付けて成形する工程と、
を少なくとも有する筒体の製造方法であって、
前記搬送する工程は、少なくとも前記繊維束と最初に接する第１のガイドロールと、前記第１のガイドロールの下流側に配置される第２のガイドロールを少なくとも有するガイドローラ群を有し、
前記第１のガイドローラと前記第２のガイドローラとは、前記繊維束の異なる面と接触するように該繊維束が搬送され、
前記第２のガイドローラと接する前記繊維束の巻き付き角度θ（°）が３０°≦θ≦１７０°であるとともに、３０°≦θ＜７０°の場合は（１）式を満たし、７０°≦θ≦１７０°の場合は（２）式を満たすことを特徴とする筒体の製造方法。
１８０／ｓｉｎ（θ／２）≦Ｌ≦１５００ （３０°≦θ＜７０°）・・・（１）
３１３≦Ｌ≦１５００ （７０°≦θ≦１７０°）・・・（２）
ここで、Ｌ（ｍｍ）は前記第１のガイドローラの中心と前記第２のガイドローラの中心との距離である。

本発明によれば、一定数のフィラメント数を有する炭素繊維束が樹脂含浸後、繊維束をマンドレルに巻き付ける際に、撚れた繊維束がそのまま成形体に巻かれることを防止できる。その結果、繊維束の張力を安定化させることができるので、成形体の強度低下を抑制できる。さらに、繊維の毛羽立ちも抑制できるので、毛羽取り作業頻度が減り、作業性も向上する。

本発明の実施形態に係る筒体の製造フローの一例の全体構成の概略図である。 円筒状のボビンから繊維束が引き出される状態の概略斜視図である。 繊維束が撚れて反転した状態の平面図である。 繊維束の撚れた部分が第１のガイドローラと第２のガイドローラとの間に留められている状態の斜視図である。 第２のガイドローラに繊維束が巻きついた状態での巻きつき角度θとガイドローラ間の距離Ｌとの関係を表す概略断面図である。 巻きつき角度θと距離Ｌとの関係図である。 繊維束を十分に開繊できない状態の斜視図である。 第１の上流側ガイドローラに繊維束の引張張力を計測するセンシング手段を持たせたガイドローラ群の構成概略図である。 第１のガイドローラにおいて計測される張力の変動を示す概略図である。 第２のガイドローラを複数個配置した模式図である。 ガイドローラ群をボビンと樹脂含浸部との間に配置した筒体の製造フローの一例の全体構成の概略図である。 ガイドローラ群を樹脂含浸部とマンドレルとの間に配置した筒体の製造フローの一例の全体構成の概略図である。 ボビンと樹脂含浸部との間、及び樹脂含浸部とマンドレルとの間にガイドローラ群をそれぞれ配置した筒体の製造フローの一例の全体構成の概略図である。

以下、実施の形態について図面を用いて説明する。なお、本発明は図や実施例に何ら限定されるものではい。

本発明に係る筒体の製造装置は、連続繊維を複数束ねた繊維束が巻き付けられたボビンから前記繊維束を繰り出し、マンドレルに巻き付ける筒体の製造装置であって、前記ボビンと前記マンドレルとの間に、前記繊維束を搬送するガイドロール群が設けられ、前記ガイドロール群は、少なくとも前記繊維束と最初に接する第１のガイドロールと、前記第１のガイドロールの下流側に配置される第２のガイドロールを少なくとも有し、前記第１のガイドローラと前記第２のガイドローラとは、前記繊維束の異なる面と接触するように配置され、前記第２のガイドローラと接する前記繊維束の巻き付き角度θ（°）が３０°≦θ≦１７０°であるとともに、３０°≦θ＜７０°の場合は（１）式を満たし、７０°≦θ≦１７０°の場合は（２）式を満たす構成である。
１８０／ｓｉｎ（θ／２）≦Ｌ≦１５００ （３０°≦θ＜７０°）・・・（１）
３１３≦Ｌ≦１５００ （７０°≦θ≦１７０°）・・・（２）

ここで、Ｌ（ｍｍ）は前記第１のガイドローラの中心と前記第２のガイドローラの中心との距離である。

筒体の製造装置は図１に示すように、主として、繊維束送出工程を担う繊維束送出部１００、送り出された繊維束を搬送するガイドロール群２００、搬送された繊維束を巻き付ける巻付工程を担う繊維束巻付部３００が、この順で配置されている。

繊維束送出部１００では、繊維束１０３がボビン１０１から引き出された後、クリールローラ１０２で張力を負荷される。その後、繊維束１０３はガイドロール群２００に送り出される。送り出された繊維束１０３はガイドロール群２００により案内され、繊維束巻付部３００に搬送される。繊維束巻付部３００では、搬送された繊維束１０３をデリバリーアイ３０１で集束され、マンドレル３０２に巻かれる。

次に、図２に示すように、円筒状のボビン１０１から繊維束１０３が引き出される際、繊維束１０３がボビンの手前１０４から連続して奥側に向かって引き出されていき、一番奥側１０５から引き出された後、反転の経路１０６のようにターンして、今度は奥側から手前側に向かって繊維束１０３が引き出される。繊維束１０３が一番奥側１０５から引き出された後、手前側に向うようにターンする際に、繊維束１０３が反転して撚れが発生しやすい。同様に、繊維束１０３が手前側１０４から引き出された後、奥側に向うようにターンする際に、繊維束１０３が反転して撚れが発生しやすい場合もある。

この場合、図３に示すように、繊維束１０３が撚れて反転した状態では、繊維束１０３の撚れた部分１０７には張力が均一に付加されておらず、その部分の強度が低下する。そのままマンドレル３０２に巻き付けられると、撚れた部分１０７が破壊の起点となり、例えば圧力容器に使用した場合、強度低下を招く場合がある。また、撚れた部分１０７が搬送方向１０８に搬送され、ガイドローラ２０２を通過すると、繊維束１０３の幅が変化するため、ガイドローラ２０２との摩擦力が変動し、張力が変動する原因となる。

ここで、ガイドローラ群２００の構成について説明する。

図４に示すように、ガイドロール群２００は、繊維束１０３と最初に接する第１のガイドロール２０１と、第１のガイドロール２０１の下流側に配置される第２のガイドロール２０２を少なくとも具備し、その第１のガイドローラ２０１と第２のガイドローラ２０２とは、繊維束１０３の異なる面と接触するように配置する装置構成としている。つまり、第１のガイドローラ２０１は繊維束１０３の搬送方向１０８に対して同方向２０５に回転し、第２のガイドローラ２０２は繊維束１０３の搬送方向１０８に対して同方向２０６に回転するとともに、第１のガイドローラ２０１と第２のガイドローラ２０２が互いに逆回転の構成となる。これにより、繊維束１０３の両面を第１のガイドローラ２０１、第２のガイドローラ２０２との十分な接触を保つことができ、張力を均一に与えることができる。また第２のガイドローラ２０２への繊維束１０３の巻きつき角度を一定量確保することができる。

次に、第２のガイドローラ２０２への繊維束１０３の巻きつき角度θ（°）と、第１のガイドローラ２０１の中心と第２のガイドローラ２０２の中心との距離Ｌ（ｍｍ）の関係について説明する。

図５に示すように、巻きつき角度θは第２のガイドローラ２０２に繊維束１０３が接し始める点と離れ始める点とをそれぞれ第２のガイドローラ２０２の中心点とを結んだ線間の角度２０７であり、距離Ｌは第１のガイドローラ２０１の中心と第２のガイドローラ２０２の中心との距離２０８である。

図６に、巻きつき角度θ（２０７）と距離Ｌ（２０８）との関係図を示す。横軸は巻きつき角度θ（２０７）、縦軸は距離Ｌ（２０８）である。曲線に囲まれた領域に含まれるように第１のガイドローラ２０１と第２のガイドローラ２０２を配置することで、第１のガイドローラ２０１と第２のガイドローラ２０２の間に繊維束１０３の撚れた部分１０７を留め置くことができる。

ここで、繊維束１０３がガイドローラに押し付けられる力をＴｓ（Ｎ）、繊維束１０３に負荷する張力をＴｆ（Ｎ）とすると、巻きつき角度θとは、（３）式の関係があることが知られている。
Ｔｓ＝２・Ｔｆ・ｓｉｎ（θ／２）・・・（３）

繊維束１０３の束幅はＴｓの大きさに応じて開繊する。Ｔｆ一定でＦＷ成形をする場合、Ｔｓは巻きつき角度θ（２０７）によって変動する。従って繊維束１０３の束幅は巻きつき角度θ（２０７）に応じて変化することになる。

図４に示すように、第２のガイドローラ２０２の手前で繊維束１０３の撚れた部分１０７を留め置くためには、繊維束１０３が一定以上の束幅１０９を有する開繊された領域を持つことが必要である。

θが３０°未満では、第２のガイドローラ２０２上で繊維束１０３が開繊するために十分な力を付与できず、繊維束１０３を十分に開繊できず、撚れた部分１０７を留め置くことが困難となる場合がある。

また、３０°≦θ≦７０°の範囲では、Ｔｓがやや弱くなるため、距離Ｌ（２０８）を一定以上確保する必要が生じる。つまり、巻きつき角度θ（２０７）に連動して、距離Ｌ（２０８）を１８０／Ｓｉｎ（θ／２）ｍｍ以上とすることで、巻きつき角度θ（２０７）が小さくなるとともに、距離Ｌ（２０７）が増加することにより、撚れた繊維束を開繊できる距離Ｌ（２０８）を確保することができ、撚れた部分１０７が第２のガイドローラ２０２の手前で留めおくことができる。

これに対し、図７に示すように、距離Ｌ（２０８）が１８０／ｓｉｎ（θ／２）ｍｍ未満では、繊維束１０３を十分に開繊できず、狭い束幅１１０のように一定幅以上に開繊された領域を確保することが困難となるため、撚れた部分１０７を留め置くことが困難となる場合がある。また、繊維束１０３を開繊するためにＴｆを大きくすると、繊維束が損傷しやすくなる。

また、７０°＜θ≦１７０°の範囲では、距離Ｌ（２０８）を３１３ｍｍ以上とすることで、繊維束１０３を十分に開繊できる距離を確保することができ、撚れた部分１０７を留め置くことができる。

これに対し、３１３ｍｍ未満では繊維束１０３を十分に開繊できる距離Ｌ（２０８）を確保することができず、図７に示す開繊領域１１０のように、繊維束１０３を十分に開繊できず、撚れた部分１０７を留め置くことが困難となる場合がある。

巻きつき角度θ（２０７）が１７０°を超えると、ガイドローラ２０１、２０２と繊維束１０３との接触面積が増大するため、トルクの乱れや、毛羽が出るなど、繊維束１０３が損傷しやすくなる。

距離Ｌ（２０８）が１５００ｍｍよりも長くすると、繊維束１０３の搬送中に振動しやすくなり、張力変動が生じてしまう場合がある。また、生産装置自体が大きくなり、生産設備のコンパクト化に反することになってしまう。

好ましくは、巻きつき角度θ（２０７）は４０°≦θ≦１５０°であり、４０°≦θ≦７０°の場合、距離Ｌ（２０８）とは（４） 式を、７０°＜θ≦１５０°の場合は（５）式を満たすことが好ましい。
１８０／ｓｉｎ（θ／２）≦Ｌ≦１３００ （４０°≦θ≦７０°）・・・（４）
３１３≦Ｌ≦１３００（７０°＜θ≦１５０°）・・・（５）

さらに、より好ましくは巻きつき角度θ（２０７）は５０°≦θ≦１３０°であり、５０°≦θ≦７０°の場合、距離Ｌ（２０８）とは（６） 式を、７０°＜θ≦１３０°の場合は（７）式の関係を満たすことが好ましい。
１８０／ｓｉｎ（θ／２）≦Ｌ≦１０００ （５０°≦θ≦７０°）・・・（６）
３１３≦Ｌ≦１０００（７０°＜θ≦１３０°）・・・（７）

ガイドローラ２０１、２０２の形状は円柱で、全長はデリバリーアイの移動に連動して繊維束１０３が動いた場合でも、繊維束１０３がローラから脱落しない程度の幅が必要である。また、ガイドローラ２０１、２０２は、ボビン１０１から引き出された繊維束１０３の１束につき、１つの独立したローラを使用することが好ましい。

ガイドローラ２０１、２０２を構成する材料としては、例えば鉄などの金属で、表面処理は、例えばハードクロムメッキや、梨地表面処理が施されているとよい。ガイドローラ上を通過する繊維束から受ける荷重は、フィラメント数が１２，０００では１５〜４０Ｎ程度、フィラメント数が２４，０００では、３０〜８０Ｎ程度が好ましい。

また、第２のガイドローラ２０２の周速度は、繊維束１０３の送り出し速度に対して遅い装置構成とすることが好ましい。

第２のガイドローラ２０２の周速度を繊維束１０３の送り出し速度に対して相対的に遅くさせる構成とすることにより、第２のガイドローラ２０２上で繊維束１０３に摩擦力を付与できるので、繊維束１０３は開繊しやすくなるため、撚れた部分１０７を第２のガイドローラ２０２の手前に留めておくことが可能になる。また、第２のガイドローラ２０２を低速で回転させることで、固定のバーガイドと比較して、接触部の摩擦を軽減でき、これにより繊維束１０３に損傷等を与えることなく、毛羽が生じにくい。また、第２のガイドローラ２０２上に発生した毛羽も、第２のガイドローラ２０２を通過する繊維束１０３に運ばれやすく、第２のガイドローラ２０２上に蓄積されにくくなる。

また、第１のガイドローラ２０１の周速度は、繊維束１０３の送り出し速度と等速とする装置構成が好ましい。

送り出される繊維束１０３を、繊維束１０３の送り出し速度と等速の周速度で回転する第１のガイドローラ２０１に接触された後、繊維束１０３の送り出し速度に対して相対的に遅い周速度で回転する第２のガイドローラ２０２に接触させる構成とすることにより、直ちに繊維束１０３の送り出し速度に対して低速で回転するガイドローラを接触させる場合と比べて、繊維束１０３にかかる張力に乱れや変動を抑えることができ、繊維束１０３の強度の低下を抑制することができる。特に、高速度で繊維束１０３が送り出される場合に有効である。ここで、繊維束１０３の送り出し速度と等速とは、完全一致の速度が望ましいが、±５％の速度差は許容可能である。

また、第２のガイドローラ２０２の周速度は、繊維束１０３の送り出し速度に対して遅いことが好ましく、さらには０．００１〜０．５倍の速度であることが好ましい。

０．００１倍以上の速度で回転させることにより、撚れた部分１０７が第２のガイドローラ２０２の手前で留められることができるとともに、発生した毛羽も繊維束１０３に運ばれやすく、第２のガイドローラ２０２に毛羽がたまりにくい。０．００１倍未満であると、第２のガイドローラ２０２と繊維束１０３との擦過が大きくなり、繊維束１０３に損傷が生じる場合がある。０．５倍を超えて繊維束１０３の送り出し速度に近づくと、撚れた部分１０７が第２のガイドローラ２０２の手前で留め置くことができず、そのまま送り出される場合がある。好ましくは０．００２〜０．２倍、より好ましくは０．００５〜０．１倍である。

また、繊維束１０３の送り出し速度は３０〜１００ｍ／ｍｉｎとすることが好ましい。

送り出し速度は３０ｍ／ｍｉｎ以上とすることにより、生産性を高めることができ、生産コストを下げることができる。しかし、高速度においては繊維束１０３の反転による撚れの発生や、繊維束１０３にかかる張力の乱れや変動が生じやすくなる傾向にあるため、１００ｍ／ｍｉｎ以下とすることが好ましい。本発明の構成である低速とする第２のガイドローラ２０２の構成、一定の関係の巻きつき角度θ（２０７）と距離Ｌ（２０８）、又は等速の周速度で回転する第１のガイドローラ２０１を介する構成により、撚れの発生や、張力の変動を抑えることができる。また、複雑形状のモノを成形するためデリバリーアイ３０１を使用して、１ｍ以上の広範囲な繊維束１０３の左右への移動させる際にも、張力変動の抑制に対し効果的である。

また、ガイドローラ群２００は、第２のガイドローラ２０２の下流側に第３のガイドローラ２０３を更に有し、第１のガイドローラ２０１に繊維束１０３の引張張力を計測するセンシング手段２１０を具備し、引張張力の変動に応じて第３のガイドローラ２０３の周速度を制御する制御手段を具備する装置構成とすることが好ましい。

図８に示すように、第１のガイドローラ２０１の張力をセンシングする張力測定装置２１０を具備し、張力測定装置２１０からの値を制御装置２１１で解析し、その結果に応じて、第３のガイドローラ回転制御装置２１２に指令信号を送り、第３のガイドローラ２０３の回転速度を制御する装置構成とすることが好ましい。

これにより、センシングされた引張張力の変動に応じて、第３のガイドローラ２０３の周速度を制御し、繊維束１０３と第３のガイドローラ２０３との摩擦力を変化させることで張力変動を緩和させることができる。また、図９に第１のガイドローラ２０１において計測される張力の変動を示す概略図を示す。横軸に経過時間、縦軸に第１のガイドローラ２０１に具備した張力測定装置２１０からの張力を示す。張力測定装置２１０を具備した第１のガイドローラ２０１を撚れた部分１０７が通過すると、撚れた部分１０７の繊維束１０３の幅が小さいので、第１のガイドローラ２０１との摩擦力が小さくなるため、張力が一時的に低下する。２１３に張力が低下した状態を示す。その張力低下２１３を感知すると第３のガイドローラ２０３に回転を低下させるように指令を出し、摩擦力を増大させることで、張力低下２１３を緩和でき繊維束１０３の安定した搬送性を確保することができる。点線２１４に張力が緩和した状態を示す。張力変動に対する第３のガイドローラ２０３の回転速度変化による張力の緩和の状態は、予めその関係を測定しておき、その関係値を制御装置２１２に記憶させておくことでセンシング計測に応じて第３のガイドローラ２０３の回転速度を設定することができる。

また、繊維束１０３の送り出し速度に対する第３のガイドローラ２０３の周速度を、引張張力の変動に応じて０〜１倍の範囲で調節することが好ましい。

相対周速度を１倍以下とすることにより、一時的に低下した張力に対し、第３のガイドローラ２０３の相対周速度を低下させることで摩擦力を増大させ、張力低下を緩和することができる。相対周速度が１倍を越えると、繊維束にたるみが生じる恐れがある。相対周速度が０倍未満、つまり逆方向に回転をかけることは、繊維への負荷が増大しすぎる傾向にあり、損傷等が生じる場合がある。

また、ガイドローラ群２００は第１のガイドローラ２０１と、第１のガイドローラの直下流側に位置する第２のガイドローラ２０２とから構成されることを示したが、第２のガイドローラ２０２を複数配する構成とすることも好ましい。

図１０に示すように、第１のガイドローラ２０１の下流に第１のガイドローラ２０１の回転方向と逆方向に回転する第２のガイドローラ２０２とその下流に第２のガイドローラ２０２の回転方向と逆方向に回転する２つ目の第２のガイドローラ２０４、その下流に第２のガイドローラ２０４の回転方向と逆方向に回転する第３のガイドローラ２０３を配する構成を例示する。いずれのガイドローラも繊維束１０３の送り出し方向１０８と同方向に回転する。繊維束１０３の送り出し速度に対し相対的に周速度を遅くした第２のガイドローラ２０２，２０４を複数配することにより、繊維束１０３の撚れた部分１０７の留め置きの確度が向上するだけでなく、繊維束１０３がガイドローラ上を横移動することを抑える効果もある。

また、ボビン１０１とマンドレル３０２との間に、繊維束１０３に溶融樹脂を含浸させる樹脂含浸部４００をさらに備え、ガイドローラ群２００をボビン１０１と樹脂含浸部４００との間に配置する装置構成とすることが好ましい。

繊維束送出部１００では、図２に示すようにボビン１０１から送り出される繊維束１０３が１０６に示すようにターンする際に、繊維束１０３が反転して撚れが発生しやすいため、図１１に示すように、ガイドローラ群２００をボビン１０１と樹脂含浸部４００との間に配置することで、繊維束１０３の撚れた部分１０７を留め置くことができ、張力の安定を図ることができる。

また、ボビン１０２とマンドレル３０２との間に、繊維束１０３に溶融樹脂を含浸させる樹脂含浸部４００をさらに備え、ガイドローラ群２００を樹脂含浸部４００とマンドレル３０２との間に配置する装置構成とすることが好ましい。

繊維束巻付部３００では、ライナ３０２に繊維束１０３を巻き付けるため、デリバリーアイ３０１をライナ３０２の軸方向と平行な方向に左右に往復移動させるため、その手前の工程で繊維束１０３が反転して撚れが発生しやすい。そのため、図１２に示すように、ガイドローラ群２００を樹脂含浸部４００とデリバリーアイ３０１にて繊維束１０３が集束されるマンドレル３０２との間に配置することで、繊維束１０３の撚れた部分１０７を留め置くことができ、張力の安定を図ることができる。

また、図１３に示すように、ボビン１０１と樹脂含浸部４００との間にガイドローラ群２００Ａ及び樹脂含浸部４００とマンドレル３０２との間にガイドローラ群２００Ｂをそれぞれ配置する装置構成とすることも好ましい。

このように、繊維束１０３に撚り部分１０７が生じやすい箇所に適宜配することで、適切な箇所で繊維束１０３の撚れた部分１０７を留め置くことができ、張力の安定を図ることができる。

次に、本発明に係る筒体の製造方法について説明する。

連続繊維を複数束ねた繊維束１０３が巻き付けられたボビン１０１から繊維束１０３を引き出す工程と、ボビン１０１から繊維束１０３を搬送し、繊維束１０３に樹脂含浸させる工程と、搬送された繊維束１０３をマンドレル３０２に巻き付けて成形する工程と、を少なくとも有する筒体の製造方法であって、繊維束１０３を搬送する工程は、少なくとも繊維束１０３と最初に接する第１のガイドロール２０１と、第１のガイドロール２０１の下流側に配置される第２のガイドロール２０２を少なくとも有するガイドローラ群２００を有し、第１のガイドローラ２０１と第２のガイドローラ２０２とは、繊維束１０３の異なる面と接触するように繊維束１０３が搬送され、第２のガイドローラ２０２と接する繊維束１０３の巻き付き角度θ（２０７）（°）が３０°≦θ≦１７０°であるとともに、３０°≦θ＜７０°の場合は（１）式を満たし、７０°≦θ≦１７０°の場合は（２）式を満たすことを特徴とする。
１８０／ｓｉｎ（θ／２）≦Ｌ≦１５００ （３０°≦θ＜７０°）・・・（１）
３１３≦Ｌ≦１５００ （７０°≦θ≦１７０°）・・・（２）

ここで、距離Ｌ（２０８）（ｍｍ）は第１のガイドローラ２０１の中心と第２のガイドローラ２０２の中心との距離である。

図１１に示すように、まず、繊維束１０３をボビン１０１から引き出した後、クリールローラ１０２で張力を負荷する。その後、繊維束１０３はガイドロール群２００に送り出す。ガイドロール群２００では、図５に示す巻き付き角度θ（２０７）と距離Ｌ（２０８）が上記した関係式を満たすように配置する。送り出された繊維束１０３はガイドロール群２００により樹脂含浸部４００に案内され、キスローラ４０１と接して、繊維束１０３に樹脂を含浸する。その後、繊維束１０３を繊維束巻付部３００に搬送し、繊維束１０３をデリバリーアイ３０１で集束して、マンドレル３０２に巻きつける構成である。

また、図１２に示すように、ガイドローラ群２００は樹脂含浸部４００とマンドレル３０２との間に配置することや、図１３に示すように、ボビン１０１と樹脂含浸部４００との間にガイドローラ群２００Ａ及び樹脂含浸部４００とマンドレル３０２との間にガイドローラ群２００Ｂをそれぞれ配置する構成とすることも好ましい。

以下、実施例によって、本発明の一体化成形体およびその製造方法について具体的に説明するが、下記の実施例は本発明を何ら制限するものではない。

（実施例１から９）
図１１又は図１２に示す筒体の製造装置１で、圧力容器の胴部を模擬した円筒を成形した。成形した円筒から、所定の幅をもつＣＦＲＰをリング状に切り出し、そのＣＦＲＰリングを東レ（株）製のリングバースト試験機にセットし、リングの内側から水圧を昇圧速度１．４ＭＰａ／ｓ）で負荷してリングを破壊させ、そのときの圧力値を記録した。ガイドローラ群２００は第１のガイドローラ２０１、第２のガイドローラ２０２及び第３のガイドローラ２０３を具備し、第１のガイドローラ２０１と第３のガイドローラ２０３は繊維束１０３の送り速度と等速の周速度で回転させ、第２のガイドローラ２０２は（表１）に示した速度して回転させた。

実施例１から５では、図１１に示すように、ガイドローラ群２００をボビン１０１やクリール１０２を具備する繊維束送出部１００直後に配した。また、実施例６から９では、図１２に示すように、ガイドローラ群２００をデリバリーアイ３０１やライナ３０２を具備する繊維束巻付部３００の手前に配した。繊維束送り出し速度は４０ｍ／ｍｉｎとし、強化繊維は東レ（株）製の炭素繊維Ｔ７００ＳＣ−１２Ｋ（フィラメント数１２，０００、比重１．８、繊度０．８ｇ／ｍ）と、Ｔ７００ＳＣ−２４Ｋ（フィラメント数２４，０００、繊度１．６５ｇ／ｍ）を用い、マトリックス樹脂に汎用のエポキシ樹脂を用いた。

（実施例１０）
図８に示すセンシング計測機能及び第３のガイドローラ２０３の周速度を制御する機構を付加し、他の構成は実施例１と同様にして行った。

（比較例１から８）
比較として、図１に示す筒体の製造装置で、繊維束１０３の第２のガイドローラ２０２への巻きつけ角度θ（２０７）及び第１のガイドローラ２０１の中心と第２のガイドローラ２０２の中心との距離Ｌ（２０８）を表１に示した範囲内で変更して圧力容器を作成した。なお、比較例１，３，５及び７図１１に示す筒体の製造装置、比較例２，４，６及び８は図１２に示す筒体の製造装置を用いて行った。他の条件は実施例１と同様の構成にて行った。これらの結果を表１に示す。

ｕ：繊維束１０３の送り出し速度に対する第２のガイドローラ２０２の相対周速度
θ：繊維束１０３の第２のガイドローラ２０２への巻きつき角度
Ｌ：第１のガイドローラ２０１と第２のガイドローラ２０２との中心間距離
評価判断、◎：実使用上問題なく優レベル、○：実使用上問題なく良レベル、×：実使用上問題あり
以上の結果を比較すると、本願発明の機構を具備する実施例１から１０では、繊維束の撚られた部分を第２のガイドローラの手前で留め置くことが可能となり、その結果、成形体の破裂強度の低下が抑えられることを実証できた。しかし比較例の構成では、繊維束の撚られた部分を第２のガイドローラの手前で留め置くことが困難であり、そのままライナーに巻かれてしまい、成形体の破裂強度の低下が生じた。

本発明に係る筒体の製造装置およびその製造方法は、フィラメントワインディング成形法や引き抜き成形法などの樹脂を含浸させた連続した繊維を引きそろえて使用する成形方法に適している。例えば、二輪の車両、バスや乗用車等の四輪以上の自動車等の移動体に搭載され、内部に高圧ガスを貯蔵する圧力容器や自動車に用いられるプロペラシャフトに好適に用いることができる。また、圧力容器は、据え置き型の圧力容器であってもよい。高圧ガスとしては、水素ガスや圧縮天然ガスなどが挙げられる。

１ 筒体の製造装置の全体構成
１００ 繊維束送出部
１０１（１ａ〜１ｂ） ボビン
１０２（２ａ〜２ｂ） クリールローラ
１０３（３ａ〜３ｂ） 繊維束
１０４、１０５ 繊維束を引き出す方向
１０６ 繊維束が引き出される際の繊維束の軌跡
１０７ 反転して撚れた繊維束
１０８ 繊維束の進行方向
１０９、１１０ 繊維束の開繊領域
２００（２００Ａ〜２００Ｂ） ガイドローラ群
２０１（２０１ａ〜２０１ｂ） 第１のガイドローラ
２０２（２０２ａ〜２０２ｂ） 第２のガイドローラ
２０３（２０３ａ〜２０３ｂ） 第３のガイドローラ
２０３、２０４ ガイドローラの回転方向
２０７ 繊維束の巻きつき角度θ
２０８ 第１のガイドローラと第２のガイドローラとの中心間距離Ｌ
２０９ 第３のガイドローラの回転方向
２１０ 張力センシング機構
２１１、２１２ 張力制御機構
２１３ 張力が減少した模式図
２１４ 張力変動が緩和された模式図
３００ 繊維束巻付部
３０１ デリバリーアイ
３０２ マンドレル（ライナ）
４００ 樹脂含浸部
４０１ キスローラ
４０２ 樹脂槽

Claims (11)

1. 連続繊維を複数束ねた繊維束が巻き付けられたボビンから前記繊維束を繰り出し、マンドレルに巻き付ける筒体の製造装置であって、
   前記ボビンと前記マンドレルとの間に、前記繊維束を搬送するガイドロール群が設けられ、
   前記ガイドロール群は、少なくとも前記繊維束と最初に接する第１のガイドロールと、前記第１のガイドロールの下流側に配置される第２のガイドロールを少なくとも有し、
   前記第１のガイドローラと前記第２のガイドローラとは、前記繊維束の異なる面と接触するように配置され、
   前記第２のガイドローラと接する前記繊維束の巻き付き角度θ（°）が３０°≦θ≦１７０°であるとともに、３０°≦θ＜７０°の場合は（１）式を満たし、７０°≦θ≦１７０°の場合は（２）式を満たすことを特徴とする筒体の製造装置。
   １８０／ｓｉｎ（θ／２）≦Ｌ≦１５００ （３０°≦θ＜７０°）・・・（１）
   ３１３≦Ｌ≦１５００ （７０°≦θ≦１７０°）・・・（２）
   ここで、Ｌ（ｍｍ）は前記第１のガイドローラの中心と前記第２のガイドローラの中心との距離である。
2. 第１のガイドローラの周速度が前記繊維束の送り出し速度と等速であることを特徴とする請求項１に記載の筒体の製造装置。
3. 第２のガイドローラの周速度が繊維束の送り出し速度に対して遅いことを特徴とする請求項１または２に記載の筒状の製造装置。
4. 第２のガイドローラの周速度が繊維束の送り出し速度に対して０．００１〜０．５倍の速度であることを特徴とする請求項３に記載の筒体の製造装置。
5. 前記繊維束の送り出し速度が３０〜１００ｍ／ｍｉｎであることを特徴とする請求項２〜４のいずれかに記載の筒体の製造装置。
6. 前記ガイドローラ群は、前記第２のガイドローラの下流側に第３のガイドローラを更に有し、
   前記第１のガイドローラに前記繊維束の引張張力を計測するセンシング手段を具備し、前記引張張力の変動に応じて前記第３のガイドローラの周速度を制御する制御手段を具備することを特徴とする請求項２〜５のいずれか記載の筒体の製造装置。
7. 前記繊維束の送り出し速度に対する第３のガイドローラの周速度を、前記引張張力の変動に応じて０〜１倍の範囲で調節することを特徴とする請求項６に記載の筒体の製造装置。
8. 前記ボビンと前記マンドレルとの間に、前記繊維束に溶融樹脂を含浸させる樹脂含浸部をさらに備えることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の筒体の製造装置。
9. 前記ガイドローラ群を前記ボビンと前記樹脂含浸部との間に配置することを特徴とする請求項８に記載の筒体の製造装置。
10. 前記ガイドローラ群を前記樹脂含浸部と前記マンドレルとの間に配置することを特徴とする請求項８または９に記載の筒体の製造装置。
11. 連続繊維を複数束ねた繊維束が巻き付けられたボビンから前記繊維束を引き出す工程と、
    前記ボビンから前記繊維束を搬送し、樹前記繊維束に脂含浸させる工程と、
    搬送された前記繊維束をマンドレルに巻き付けて成形する工程と、
    を少なくとも有する筒体の製造方法であって、
    前記搬送する工程は、少なくとも前記繊維束と最初に接する第１のガイドロールと、前記第１のガイドロールの下流側に配置される第２のガイドロールを少なくとも有するガイドローラ群を有し、
    前記第１のガイドローラと前記第２のガイドローラとは、前記繊維束の異なる面と接触するように該繊維束が搬送され、
    前記第２のガイドローラと接する前記繊維束の巻き付き角度θ（°）が３０°≦θ≦１７０°であるとともに、３０°≦θ＜７０°の場合は（１）式を満たし、７０°≦θ≦１７０°の場合は（２）式を満たすことを特徴とする筒体の製造方法。
    １８０／ｓｉｎ（θ／２）≦Ｌ≦１５００ （３０°≦θ＜７０°）・・・（１）
    ３１３≦Ｌ≦１５００ （７０°≦θ≦１７０°）・・・（２）
    ここで、Ｌ（ｍｍ）は前記第１のガイドローラの中心と前記第２のガイドローラの中心との距離である。