JP2021138120A - 繊維強化樹脂成形体の製造方法、繊維強化樹脂成形体の製造システム、および繊維強化樹脂成形体 - Google Patents

Abstract

【課題】熱可塑性繊維強化樹脂により筒状の成形体を形成する際に、高い形状精度で成形でき、しかも成形コストを抑制できる技術が求められていた。【解決手段】筒状に組まれた繊維と熱可塑性樹脂とを含む筒状体をマンドレルにセットし、前記筒状体を前記熱可塑性樹脂の溶融温度以上である第１の温度に加熱し、前記第１の温度に加熱された前記筒状体に、前記熱可塑性樹脂のガラス転移温度以上もしくは前記筒状体の荷重たわみ温度以上であって、かつ前記熱可塑性樹脂の溶融温度未満である第２の温度になるよう制御された第１プレートを接触させて加圧し、前記筒状体を転動させて成形し、成形された前記筒状体に、前記熱可塑性樹脂のガラス転移温度未満もしくは前記筒状体の荷重たわみ温度未満の温度である第３の温度になるよう制御された第２プレートを接触させて加圧し、前記筒状体を転動させて冷却し、冷却された前記筒状体を前記マンドレルから取り外す。【選択図】図３

Description

本発明は、筒状の繊維強化樹脂成形体の製造方法、それに用いる製造システム、および筒状の繊維強化樹脂成形体に関する。

従来から、カメラ用交換レンズ等の光学機器の分野をはじめとして、筒形状の部品や構造材に機械的な強度と軽量性の両方が求められる場合がある。例えば、焦点距離が３００ｍｍを超えるような望遠レンズでは、持ち運びのし易さや、撮影時の操作性向上の観点から、軽量かつ高剛性であることが望まれている。

従来では、この種の大型の光学機器の鏡筒の材質には、耐衝撃性の観点からアルミニウム合金やマグネシウム合金が用いられていた。また、レンズに取付けられるフードも、耐衝撃性の観点から、アルミニウム合金が採用されていた。しかし、この種の合金材料は金属の中では軽い部類に属するものであっても、絶対的な重量が軽いとは言えないため、ユーザーからは可搬性や操作性の向上のための更なる軽量化が求められていた。

そこで、近年では、熱可塑性樹脂を含浸させた熱可塑性繊維強化樹脂（Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｔｈｅｒｍｏ Ｐｌａｓｔｉｃｓ）を用いて、鏡筒やフードを製造することが考えられている。
例えば、特許文献１には、ある程度の熱可塑性樹脂を含浸させた炭素繊維材を円筒状の金型であるマンドレルに巻き付かせて組紐し、筒状の組紐層を形成した後に成形圧力を加えながら加熱し、その後冷却して成形物を固化させる方法が開示されている。このように、熱可塑性繊維強化樹脂は、合金よりも軽量で高剛性な筒状部材を形成可能な材料として期待されている。

特開２０１９−１９４０１８号公報

上述のように、特許文献１によれば、熱可塑性樹脂をある程度含浸した炭素繊維材をマンドレルに巻き付かせて組紐し、筒状の組紐層を形成した後、成形圧力を加えながら加熱し、その後冷却して固化させる。成形圧力を加えながら筒状の組紐層を加熱することにより、熱可塑性樹脂の含浸度合いを進め、剛性強化と成形を達成する。特許文献１には、成形圧力を加えながら加熱する方法として、オートクレーブを用いて加圧する方法や、金型（外型）を用いてプレスする方法や、予め金属テープを巻き付けておいて張力を加える方法が記載されている。

ところで、熱可塑性繊維強化樹脂を用いて筒状部材を低コストで製造するためには、成形工程で達成する形状の精度を高くして製造歩留まりを向上させるとともに、成形工程の工数を短縮したり、製造装置のコストを低減する必要がある。

しかしながら、例えばオートクレーブを用いて加圧する場合には、装置の規模が大きくなり装置コストが増大するとともに、加圧／減圧や昇温／降温に長時間を要するため量産性が低下し、成形コストを増大させる可能性がある。

また、金型（外型）を用いてプレスする方法では、金型のパーティングライン近傍において組紐層に十分な圧力がかからないため、熱可塑性樹脂の含浸が不均一になったり、パーティングラインに沿ってプレス痕が残る場合が有り得る。このため、筒の形状精度や強度が低下したり、製造歩留まりが低下する可能性がある。

また、予め金属テープを巻き付けておいて張力を加える方法では、金属テープを巻き付ける工程と、固化後に金属テープを解く工程が必要なため、成形工程に要する時間が増大する可能性がある。また、特にテーパー形状のように径が一定でない筒状の部材を作成する場合には、金属テープの巻き付けが不均一になりがちで、熱可塑性樹脂の含浸が不均一になり、筒の形状精度や強度が低下したり、製造歩留まりが低下する可能性がある。
そこで、熱可塑性繊維強化樹脂により筒状の成形体を形成する際に、高い形状精度で成形でき、しかも成形コストを抑制できる技術が求められていた。

本発明の第１の態様は、筒状に編まれた繊維と熱可塑性樹脂とを含む筒状体をマンドレルにセットし、前記筒状体を前記熱可塑性樹脂の溶融温度以上である第１の温度に加熱し、前記第１の温度に加熱された前記筒状体に、前記熱可塑性樹脂のガラス転移温度以上もしくは前記筒状体の荷重たわみ温度以上であって、かつ前記熱可塑性樹脂の溶融温度未満である第２の温度になるよう制御された第１プレートを接触させて加圧し、前記筒状体を転動させて成形し、成形された前記筒状体に、前記熱可塑性樹脂のガラス転移温度未満もしくは前記筒状体の荷重たわみ温度未満の温度である第３の温度になるよう制御された第２プレートを接触させて加圧し、前記筒状体を転動させて冷却し、冷却された前記筒状体を前記マンドレルから取り外す、ことを特徴とする繊維強化樹脂成形体の製造方法である。

また、本発明の第２の態様は、筒状に編まれた繊維と熱可塑性樹脂とを含む筒状体をセット可能なマンドレルと、前記マンドレルにセットされた前記筒状体を前記熱可塑性樹脂の溶融温度以上である第１の温度に加熱する加熱機構と、前記熱可塑性樹脂のガラス転移温度以上もしくは前記筒状体の荷重たわみ温度以上であって、かつ前記熱可塑性樹脂の溶融温度未満である第２の温度になるよう制御され、前記第１の温度に加熱された前記筒状体に接触して加圧しながら揺動する第１プレートと、前記熱可塑性樹脂のガラス転移温度未満もしくは前記筒状体の荷重たわみ温度未満の温度である第３の温度になるよう制御され、前記筒状体に接触して加圧しながら揺動する第２プレートと、を備える、ことを特徴とする繊維強化樹脂成形体の製造システムである。

また、本発明の第３の態様は、筒状に編まれた繊維に熱可塑性樹脂が含浸し、テーパー面を有する筒形状の繊維強化樹脂成形体であって、直径が大きな部分の肉厚をｔ３、直径が小さな部分の肉厚をｔ４とした時に、ｔ３＜ｔ４である、ことを特徴とする繊維強化樹脂成形体である。

また、本発明の第４の態様は、筒状に編まれた繊維に熱可塑性樹脂が含浸し、テーパー面を有する筒形状の繊維強化樹脂成形体であって、直径が大きな部分において編まれた前記繊維が前記筒形状の中心軸に対してなす角度をＡ３、直径が小さな部分において編まれた前記繊維が前記筒形状の中心軸に対してなす角度をＡ４とした時に、Ａ３＞Ａ４である、ことを特徴とする繊維強化樹脂成形体である。

本発明によれば、熱可塑性繊維強化樹脂により筒状の成形体を形成する際に、高い形状精度で形成でき、しかも成形コストを抑制することができる。

実施形態に係る組紐装置を示した斜視図。 （ａ）実施形態に係る筒状体の外観図。（ｂ）実施形態に係る筒状体の断面図。 （ａ）実施形態に係る筒状体を加熱する工程を示す模式図。（ｂ）実施形態に係る筒状体を転動させて成形する工程を示す模式図。（ｃ）実施形態に係る筒状体を転動させて冷却する工程を示す模式図。 （ａ）実施形態２に係る筒状体の成形前の外観図。（ｂ）実施形態２に係る筒状体の成形前の断面図。 （ａ）実施形態２に係る筒状体の成形後の外観図。（ｂ）実施形態２に係る筒状体の成形後の断面図。 （ａ）実施形態３に係る筒状体の外観図。（ｂ）実施形態３に係る筒状体を成形装置にセットした状態を示す模式図。 （ａ）実施形態３に係る筒状体を転動させて成形する工程を示す模式図。（ｂ）実施形態３に係る筒状体を冷却後に切断する工程を示す模式図。 （ａ）実施形態３に係る筒状体を切断後、連結されていたマンドレルを分解した状態を示す模式図。（ｂ）分解したマンドレルの各々から繊維強化樹脂成形体を取り外した状態を示す模式図。

図面を参照して、本発明の実施形態である繊維強化樹脂成形体の製造方法、繊維強化樹脂成形体の製造システム、および繊維強化樹脂成形体について説明する。
尚、以下の説明において、繊維あるいは繊維材とは、特段の記載がない限りその断面形状は限定されないものとする。例えば断面形状が略円形の糸や紐でもよいし、断面形状が矩形でアスペクト比が１ではない所謂テープでもよいし、その他の断面形状を有する紐でもよい。
また、以下の実施形態及び実施例の説明において参照する図面では、特に但し書きがない限り、同一の参照番号を付して示す要素は、同様の機能を有するものとする。

［製造方法の概要］
最初に、実施形態である繊維強化樹脂成形体の製造方法の概要について説明する。
後述する各実施形態においては、まず、筒状に編まれた繊維と熱可塑性樹脂とを含む筒状体をマンドレルにセットする。言い換えれば、実施形態の繊維強化樹脂成形体の製造システムが備えるマンドレルは、筒状に編まれた繊維と熱可塑性樹脂とを含む筒状体をセット可能なマンドレルである。例えば、繊維材を組む（あるいは編む）装置に筒状の金属部材であるマンドレルを装着し、炭素繊維材をマンドレルに巻き付かせながら組んで（あるいは編んで）組紐層を形成し、マンドレル上に筒状体を作成する。

マンドレルにセットされた筒状体には、熱可塑性樹脂が含有されるようにする。例えば、予め熱可塑性樹脂を被覆した繊維材をマンドレルに巻き付かせながら組んで（あるいは編んで）組紐層を形成してもよい。あるいは、マンドレル上に組紐層を組む際に、熱可塑性樹脂が含浸されたプリプレグシートを重ねながら炭素繊維材を組んだり、複数の組紐層がプリプレグシートを挟み込むように繊維材を組み込んでもよい。繊維材としては炭素繊維が好適に用いられ、熱可塑性樹脂としてはポリカーボネートやナイロン６が好適に用いられる。また、熱可塑性樹脂としてポリプロピレン、ポリメタクリル酸メチル、等を用いてもよい。特に、熱可塑性樹脂としてポリカーボネートを用いることで、靭性に優れた繊維強化樹脂成形体を製造することができる。その際、ポリカーボネートの粘度平均分子量は１８０００以上２５０００以下が好ましい。１８０００以下では著しく靱性が低下し、２５０００以上では溶融粘度が高く、後述する成形工程での含浸性が悪くなるためである。

また、繊維と熱可塑性樹脂との親和性を高めるためにサイジング剤を用いても良い。例えば、エポキシエマルジョン系のサイジング剤を繊維に付着させることで、繊維と熱可塑性樹脂との界面密着性を高めることができる。また、その際には、繊維束は、良好な樹脂含浸性を得られるよう、開繊されていることが望ましい。

マンドレル上に筒状体がセットされると、繊維材を組む装置から筒状体はマンドレルごと取り外される。この段階では、マンドレルにセットされた筒状体（組紐層）の内部において、組まれた（あるいは編まれた）炭素繊維材同士の間には空隙が多く存在する。すなわち、組紐層内における熱可塑性樹脂の含浸の度合いが小さく、筒状体の密度（筒状体の外形形状に対する筒状体の重量）は、炭素繊維材同士の間に最密に熱可塑性樹脂が含浸（充填）した場合に比べて小さい状態である。例えば、理論通りのＶＦ（繊維体積含有率）値で空隙無く完全含浸した状態と比較して、密度が４０％〜７０％の状態である。

次に、筒状体がセットされたマンドレルを加熱装置（繊維強化樹脂成形体の製造システムが備える加熱機構）に装着する。マンドレルにセットされた筒状体は、加熱装置により熱可塑性樹脂の溶融温度以上である第１の温度に加熱される。ここで、第１の温度とは、熱可塑性樹脂の溶融温度以上であるとともに、溶融した熱可塑性樹脂の粘度が、せん断速度が１０［ｌ／ｓ］の時に１×１０^３［Ｐａ・ｓ］以下となる温度から設定される。

例えば、熱可塑性樹脂としてポリカーボネートを用いる場合には、溶融温度は２８０［°Ｃ］であるが、この時の粘度はせん断速度が１０［ｌ／ｓ］の時に５×１０^３［Ｐａ・ｓ］程度である。このため、１×１０^３［Ｐａ・ｓ］以下にまで粘度を小さくするために、第１の温度としては融点温度よりも４０［°Ｃ］程度高い温度、つまり例えば３２０［°Ｃ］が設定される。また、例えば、熱可塑性樹脂としてナイロン６を用いる場合には、溶融温度は２２５［°Ｃ］であるが、この時の粘度はせん断速度が１０［ｌ／ｓ］の時に２×１０^２［Ｐａ・ｓ］程度と小さい。このため、第１の温度としては融点温度よりもわずかに高い温度、つまり例えば２５０［°Ｃ］が設定される。また、熱可塑性樹脂としてＰＭＭＡを用いる場合には、溶融温度は１９０［°Ｃ］であるが、この時の粘度はせん断速度が１０［ｌ／ｓ］の時に５×１０^３［Ｐａ・ｓ］程度である。このため、１×１０^３［Ｐａ・ｓ］以下にまで粘度を小さくするために、第１の温度としては融点温度よりも４０［°Ｃ］程度高い温度、つまり例えば２３０［°Ｃ］が設定される。また、熱可塑性樹脂としてＰＥＥＫを用いる場合には、溶融温度は３３４［°Ｃ］であるが、この時の粘度はせん断速度が１０［ｌ／ｓ］の時に４×１０^２［Ｐａ・ｓ］程度と小さい。このため、第１の温度としては融点温度よりもわずかに高い温度、つまり例えば３５０［°Ｃ］が設定される。また、熱可塑性樹脂としてポリプロピレンを用いる場合には、溶融温度は１６０［°Ｃ］であるが、この時の粘度はせん断速度が１０［ｌ／ｓ］の時に８×１０［Ｐａ・ｓ］程度と小さい。このため、第１の温度としては融点温度よりもわずかに高い温度、つまり例えば１７０［°Ｃ］が設定される。このように、用いる熱可塑性樹脂の種類に応じて、第１の温度は適宜設定される。

加熱装置においては、マンドレルの内側と筒状体の外側にヒーターを配置して加熱する方法が好適であるが、それ以外の加熱方法でもよく、筒状体に含まれる熱可塑性樹脂が均一に第１の温度に加熱されればよい。第１の温度に加熱された筒状体はマンドレルごと加熱装置から取り外される。この段階においても、マンドレルにセットされた筒状体（組紐層）の内部において、組まれた（あるいは編まれた）炭素繊維材同士の間には空隙が多く存在する。

次に、溶融した熱可塑性樹脂の粘度がせん断速度が１０［ｌ／ｓ］において１×１０^３［Ｐａ・ｓ］以下である状態のまま、すなわち筒状体が冷めない状態で、マンドレルを成形装置に装着する。成形装置は、熱可塑性樹脂のガラス転移温度以上もしくは筒状体の荷重たわみ温度以上であって、かつ熱可塑性樹脂の溶融温度未満である第２の温度になるよう制御された第１プレート（好適には複数の第１プレート）を備える。第１プレートは、後述する冷却装置が備えるプレートよりも相対的に高い温度なので、説明の便宜上、以下では第１プレートを高温プレートと呼ぶ。

例えば１対の高温プレートで筒状体を挟持し、筒状体の外周に挟圧力を加えながら高温プレートを揺動させることにより、筒状体を中心軸回りに転動させ、筒状体の外形が高温プレートの面形状に倣うように筒状体を成形する。同時に、筒状体の内面の形状は、マンドレルの外周面の形状に倣うように成形される。すなわち、高温プレートは熱可塑性樹脂のガラス転移温度以上もしくは筒状体の荷重たわみ温度以上であるため、高温プレートで押圧することにより筒状体を成形することができる。

各々の高温プレートが筒状体と接触するのは、筒状体の外周面のうち筒の軸方向に沿った線状あるいは帯状の領域であるが、接触する部位が移動するように筒状体の軸方向と直交する方向に高温プレートを揺動させて筒状体を転動させる。言い換えれば、高温プレートをマンドレルの軸方向と直交する方向に揺動させて筒状体を中心軸回りに転動させる。こうすることにより、成形圧力をかける領域を移動させながら筒状体の全周を成形することができる。

対向する高温プレートの対の間に筒状体を挟持する場合には、筒状体を少なくとも半回転（少なくとも１／２回転）させるように高温プレートを揺動させることにより、筒状体の全周を高温プレートにより成形することができる。尚、筒状体を半回転以上回転させた後、高温プレートの対を逆方向に揺動させて所定の経路を往復させ、高温プレートで筒状体の全周を繰り返し複数回押圧して成形するのが好ましい。

筒状体において高温プレートと接触している部位には、高温プレートとマンドレルに挟まれて筒状体の肉厚を薄くする方向に圧力がかかるが、熱可塑性樹脂は溶融温度以上かつ所定粘度以下であるため流動性が高い。このため、編まれた炭素繊維材同士の間の空隙に含浸してゆく。ただし、高温プレート自身は、熱可塑性樹脂の溶融温度未満になるよう制御されているため、熱可塑性樹脂が筒状体の外面から高温プレート側（筒状体の外側）に溢れ出ることはほとんどない。

この段階では、マンドレルにセットされた筒状体（組紐層）の内部において、組まれた（あるいは編まれた）組紐層が厚み方向に押圧されるとともに、炭素繊維材同士の間に熱可塑性樹脂が含浸して空隙が少なくなるため、筒状体の肉厚が減少する。すなわち、組紐層内における熱可塑性樹脂の含浸の度合いが大きくなり、筒状体の密度（筒状体の外形形状に対する筒状体の重量）は、炭素繊維材同士の間に熱可塑性樹脂が最密に含浸した場合に近づいた状態となる。

次に、成形された筒状体がセットされたマンドレルを、冷却装置にセットする。冷却装置は、熱可塑性樹脂のガラス転移温度未満もしくは筒状体の荷重たわみ温度未満の温度である第３の温度になるよう制御された第２プレート（好適には複数の第２プレート）を備える。以下では、第２プレートを便宜的に低温プレート呼ぶ。第２プレートが成形装置の高温プレートよりも相対的に低温であることを示すためであり、室温よりも低温であるという意味ではない。

冷却装置は、例えば１対の低温プレートで筒状体を挟持し、筒状体の外周に挟圧力を加えながら低温プレートを揺動させることにより、筒状体を中心軸回りに転動させ、成形装置により成形された形状を維持しながら筒状体を均一に冷却してゆく。

最後に、冷却された筒状体（繊維強化樹脂成形体）をマンドレルから取り外す。以上の製造方法により、筒状の繊維強化樹脂成形体を形成する際に、高い形状精度で成形でき、しかも成形コストを抑制することができる。

［実施形態１］
実施形態１においては、直径がほぼ一定の円筒形状の繊維強化樹脂成形体を製造する。
図１に示すのは、繊維材を組むための組紐装置６であり、筒状に組まれた繊維と熱可塑性樹脂とを含む筒状体を、マンドレル８にセットするために用いられる。
図１において、組紐装置６は、貫通孔９を有する環状フレーム７を有する。直径がほぼ一定の円筒形状のマンドレル８は、環状フレーム７の貫通孔９の軸芯付近に挿通された状態で不図示の手段によって位置決めされる。なお、後にマンドレル８から筒状体をスムーズに脱芯するために、予め、マンドレルに対して、離型剤を塗布しておく、あるいは硬質Ｃｒメッキやポリテトラフルオロエチレン成膜などの表面処理を施しておくことができる。環状フレーム７は、組紐層を構成する組糸１２、１３を巻装したキャリア１０、１１を備える。組糸１２、１３としては、例えば炭素繊維が好適に用いられる。

キャリア１０、１１は、不図示の駆動手段により、パイプ体１５の周囲に形成された８の字軌道１４上を変位しながら環状フレーム７を互いに逆方向に周回する。これにより、筒状体１の組紐層が、例えばブレーディング法によって組糸１２、１３から編製される。図１において、１６は繊維が筒状に組まれた組紐層を簡略に図示している。

各キャリア１０、１１には、それぞれボビン（詳細不図示）が組み込まれており、このボビンに組糸１２、１３が巻装されている。また各キャリア１０、１１には組糸１２、１３をマンドレル８に巻装するためのテンションをバネ力等で発生させる機構（詳細不図示）を有するものとする。キャリア１０とキャリア１１の移動方向はお互いに逆である。即ち、キャリア１０、１１は環状フレーム７に形成された８の字軌道１４に沿って互いに逆方向に移動する。このキャリア１０、１１の動作によってマンドレル８上に組紐層が形成される。

なお、図１では、図示の簡略化のため、２組の組糸１２、１３のみを図示しているが、環状フレーム７上で隣接する各組のキャリア１０、１１からそれぞれに対応する組糸が、マンドレル８上の組紐位置へ供給される。また、図１では、環状フレーム７上のキャリア１０、１１の数を３６個と想定しているが、所期の鏡筒部品のサイズや形状に応じて、必要な組糸の数に対応する数のキャリア１０、１１を配置することができる。なお、環状フレーム７に、複数のパイプ体１５を環状に配置し、これらのパイプ体１５からマンドレル８へ向けて組糸を供給して筒状に組まれた組紐層１６を組む構成としてもよい。

以上説明した組紐装置６を用いて、筒状に編まれた繊維と熱可塑性樹脂とを含む筒状体をマンドレル８にセットする。繊維としては炭素繊維が好適に用いられ、熱可塑性樹脂としてはポリカーボネートやナイロン６が好適に用いられる。筒状体がセットされたマンドレル８は、組紐装置６から取り外される。この段階では、マンドレル８にセットされた筒状体１（組紐層）の内部において、組まれた炭素繊維材同士の間には空隙が多く存在する。

図２（ａ）は、組紐装置６から取り外された筒状体１の外観図である。尚、マンドレル８は、筒状体１に覆われているため図２（ａ）では不可視である。また、図２（ｂ）は、筒状体１を、筒の中心軸に沿って切断した断面図であり、図示の便宜のためマンドレルは不図示である。

図２（ｂ）に示すように、筒状体１は、炭素繊維の組紐層３、熱可塑性樹脂を予め含浸させた１方向プリプレグシート層４、炭素繊維の組紐層５が積層された積層構造を有する。すなわち、筒状体１は、図１の組紐装置６を用いて、炭素繊維の組紐層３と組紐層５の間に、熱可塑性樹脂を予め含浸させた１方向プリプレグシート層４を挟み込むように炭素繊維を組んだものである。尚、筒状に編まれた繊維と熱可塑性樹脂とを含む筒状体をマンドレル８にセットするには、図２（ｂ）のようにプリプレグシートを用いなくとも、熱可塑性樹脂を被覆した炭素繊維を用いて組紐層を編んでもよい。

図３（ａ）は、筒状体１がセットされたマンドレル８を加熱装置に装着して加熱する工程を示す模式図であり、筒状体１あるいはマンドレル８の中心軸に沿った方向から見た図である。マンドレル８にセットされた筒状体１は、マンドレルの内側と筒状体の外側に配置された加熱手段３６により、マンドレル８とともに第１の温度に加熱される。第１の温度とは、熱可塑性樹脂の溶融温度以上であり、熱可塑性樹脂の粘度がせん断速度が１０［ｌ／ｓ］において１×１０^３［Ｐａ・ｓ］以下となる温度である。その際、加熱手段３６として、例えばハロゲンヒーター等の赤外線ヒーターを用いてもよいし、マンドレル８または筒状体１が導電性を有する場合には、コイルを設置し電磁誘導加熱により加熱してもよい。また、マンドレル８にカートリッジヒーターを設置し、マンドレル８からの熱伝達により筒状体１を加熱してもよい。

第１の温度に加熱された筒状体１はマンドレル８ごと加熱装置から取り外される。この段階においても、マンドレル８にセットされた筒状体１（組紐層）の内部において、組まれた炭素繊維材同士の間には空隙が多く存在する。

次に、図３（ｂ）は、加熱装置から取り外された筒状体１が、成形装置に装着されて成形されている工程を示す模式図であり、筒状体１あるいはマンドレル８の中心軸に沿った方向から見た図である。筒状体１は、熱可塑性樹脂の溶融温度未満に冷めない状態で、マンドレル８ごと成形装置に装着される。

成形装置は、熱可塑性樹脂のガラス転移温度（Ｔｇ）以上もしくは筒状体１の荷重たわみ温度以上であって、かつ熱可塑性樹脂の溶融温度未満である第２の温度になるよう制御された複数の高温プレート３４（高温プレート３４の対）を備える。高温プレート３４の対で筒状体１を挟持し、筒状体１の外周に成形圧力Ｐ１を加えながら相対的に高温プレート３４をＭ１方向に揺動させることにより筒状体１を転動させ、筒状体１の外形が高温プレート３４の面形状に倣うように筒状体１を成形する。同時に、筒状体１の内面の形状は、マンドレル８の外周面の形状に倣うように成形される。高温プレート３４を第２の温度に制御するためには、高温プレート３４自体にカートリッジヒーターを設置してもよいし、高温プレート３４内に流体流路を設け、温度調整された流体を流してもよい。

各々の高温プレート３４が筒状体１と接触するのは、筒状体１の外周面のうち筒の軸方向に沿った線状あるいは帯状の領域であるが、接触部位が移動するように高温プレートを筒状体の軸方向と直交するＭ１方向に揺動させて筒状体１を転動させる。言い換えれば、高温プレート３４をマンドレル８の軸方向と直交するＭ１方向に揺動させて筒状体１を中心軸回りに転動させる。こうすることにより、成形圧力Ｐ１をかける領域を移動させながら筒状体１の全周を成形することができる。

高温プレート３４で筒状体１を挟み込む圧力は０．５ｋｇｆ／ｃｍ以上２０ｋｇｆ／ｃｍ以下が好ましい。０．５ｋｇｆ／ｃｍ以下であると、溶融した熱可塑性樹脂が繊維間に十分に含浸してゆかないからである。また、２０ｋｇｆ／ｃｍ以上であると、高温プレート３４と筒状体１の繊維の間の摩擦によって、繊維が撚れて破断する可能性があるからである。高温プレート３４が筒状体１を所定圧力で加圧するための機構には、例えばサーボモーターやシリンダーを用いることができる。

図３（ｂ）に示すように、高温プレート３４の対を対向させて筒状体１を挟持する場合には、高温プレート３４を揺動させて筒状体１を少なくとも半回転させることにより、筒状体１の全周を高温プレート３４の対により成形することが可能である。尚、成形精度（筒状体の形状精度）を高めるため、筒状体１を半回転以上回転させた後、高温プレート３４の対を逆方向に揺動させて往復することにより、高温プレート３４で筒状体１の全周に対して複数回にわたり成形処理をするのが好ましい。

筒状体１において高温プレート３４と接触している部位には、高温プレート３４とマンドレル８に挟まれて筒状体１の肉厚を薄くする方向に圧力がかかる。この際には、熱可塑性樹脂は溶融温度以上であるため流動性が高く、編まれた炭素繊維材同士の空隙に含浸する。ただし、高温プレート３４自身は、熱可塑性樹脂の溶融温度未満になるよう制御されているため、熱可塑性樹脂が筒状体１の外側の高温プレート３４側に溢れ出ることはほとんどない。

この段階では、マンドレル８にセットされた筒状体１（組紐層）の内部において、組まれた炭素繊維材同士の間に熱可塑性樹脂が含浸して空隙が少なくなり、筒状体１の肉厚が減少する。すなわち、組紐層内における熱可塑性樹脂の含浸の度合いが大きくなり、筒状体１の密度（筒状体の外形形状に対する筒状体の重量）は、炭素繊維材同士の間に熱可塑性樹脂が最密に含浸した場合に近づいた状態となる。

次に、図３（ｃ）は、成形装置から取り外された筒状体１が、冷却装置に装着されて冷却されている工程を示す模式図であり、筒状体１あるいはマンドレル８の中心軸に沿った方向から見た図である。

冷却装置は、熱可塑性樹脂のガラス転移温度（Ｔｇ）未満もしくは筒状体１の荷重たわみ温度未満の温度である第３の温度になるよう制御された複数の低温プレート３５（低温プレート３５の対）を備える。ここで、便宜的に低温プレートという名称を用いるのは、成形装置の高温プレート３４よりも相対的に低温であることを示すためであり、室温よりも低温であるという意味ではない。

冷却装置は、低温プレート３５の対で筒状体１を挟持し、筒状体１の外周に挟圧力Ｐ２を加えながら相対的に低温プレート３５をＭ２方向に揺動させる。これにより筒状体１を中心軸回りに転動させ、成形装置により成形された筒状体１の形状を維持しながら均一に冷却してゆく。低温プレート３５で挟み込む圧力は０．５ｋｇｆ／ｃｍ以上２０ｋｇｆ／ｃｍ以下が好ましい。０．５ｋｇｆ／ｃｍ以下であると、冷却中に炭素繊維材同士の間に含浸した熱可塑性樹脂が移動してしまい、空隙が発生する可能性があるからである。また、２０ｋｇｆ／ｃｍ以上であると、低温プレート３５と筒状体１の繊維の間の摩擦によって、繊維が撚れて破断する可能性があるからである。低温プレート３５が筒状体１を所定圧力で加圧するための機構には、例えばサーボモーターやシリンダーを用いることができる。また、低温プレート３５の温度を制御するには、低温プレート３５内に流体流路を設け、温度が調整された流体を流してもよいし、冷風を低温プレート３５に当てて冷却する方法でもよい。
熱可塑性樹脂が固化したら、筒状体１すなわち繊維強化樹脂成形体をマンドレル８から取り外す。

この段階では、筒状体１（組紐層）の内部は成形後の状態のまま、すなわち組まれた炭素繊維材同士の間に熱可塑性樹脂が含浸して空隙が少なくなった状態のまま、固化されている。すなわち、筒状体１の密度（筒状体の外形形状に対する筒状体の重量）は、炭素繊維材同士の間に熱可塑性樹脂が最密に含浸した場合に近づいた状態で固化されており、筒状体１は高い強度を有している。

繊維材として炭素繊維を用い、熱可塑性樹脂としてポリカーボネートを用いる場合、および熱可塑性樹脂としてナイロン６を用いる場合について、加熱装置、成形装置、冷却装置の好適な動作条件の例を表１に示す。

本実施形態の筒状の繊維強化樹脂成形体は、例えばカメラの交換レンズなどの光学機器における鏡筒部品、例えば、レンズフード、フォーカスリング、鏡筒の躯体部などに好適に用いられる筒状体である。ここで、レンズフードは、撮影光以外の不要光が撮影光学系に入射しないよう遮光する遮光部品であり、カメラ等の光学機器（撮像装置）の先端などに着脱可能に構成される。また、鏡筒の外筒、内筒、フォーカスリングのような鏡筒部品は、レンズやミラーなどの光学素子を保持または調整する鏡筒の躯体部を構成する鏡筒部品である。
本実施形態によれば、筒状の繊維強化樹脂成形体を形成する際に、高い形状精度で成形でき、しかも成形コストを抑制することができる。

［実施形態２］
実施形態１では、直径がほぼ一定の円筒形状の繊維強化樹脂成形体を製造したが、実施形態２では、直径が一定ではない、すなわちテーパーを有する筒（例えば円錐台形状の筒）を製造する。実施形態１と共通する事項については、説明を簡略化あるいは省略する。

実施形態２では、製造しようとする繊維強化樹脂成形体の筒形状に応じたテーパー形状を有するマンドレルを用い、実施形態１と同様に、組紐装置６を用いて筒状に組まれた繊維と熱可塑性樹脂とを含む筒状体を、テーパー形状のマンドレルにセットする。

図４（ａ）は、組紐装置６から取り外されたテーパー形状を有する筒状体１Ａの外観図である。尚、マンドレルは、その中心軸に対して傾斜したテーパー面を有するが、筒状体１Ａに覆われているため図４（ａ）では不可視である。また、図４（ｂ）は、筒状体１Ａを、筒の中心軸に沿って切断した断面図であり、図示の便宜のためマンドレルは示していない。

組紐装置６により、テーパー形状を有するマンドレル上に筒状に組まれた組紐層は、マンドレルのテーパー形状に倣ったテーパー形状を有する。図４（ａ）および図４（ｂ）に示すように、図中の左側が筒状体１Ａの大径部（直径が大きな部分）、右側が筒状体１Ａの小径部（直径が小さな部分）である。図４（ａ）に示すように、左側の大径部と右側の小径部では、組まれた炭素繊維の配向が異なる。すなわち、筒状体１Ａ（およびマンドレル）の中心軸Ｃに対して炭素繊維が成す角度は、大径部では炭素繊維の配向角度がＡ１であるのに対し、小径部では炭素繊維の配向角度はＡ２であり、Ａ１＞Ａ２の関係がある。すなわち大径部から小径部に向かって、炭素繊維が筒状体１Ａ（およびマンドレル）の中心軸Ｃに対してなす角度は、減少してゆく。炭素繊維がこのように組まれているため、図４（ｂ）に示すように、筒状体１Ａの肉厚は左側の大径部と右側の小径部で、ほぼ同一である。すなわち、左側の大径部における筒状体１Ａの肉厚をｔ１、右側の小径部における筒状体１Ａの肉厚をｔ２とした時、ｔ１とｔ２はほぼ等しい。すなわち、肉厚比ｔ２／ｔ１は概ね１であり、筒状体１Ａの全域にわたり肉厚はほぼ一定である。この段階では、テーパー形状を有するマンドレルにセットされたテーパー形状を有する筒状体１Ａ（組紐層）の内部において、組まれた炭素繊維材同士の間には空隙が多く存在する。

次に、本実施形態においても、筒状体１Ａがセットされたマンドレルを加熱装置に装着して加熱する。図３（ａ）を参照して説明した実施形態１と同様の加熱方法を用い、熱可塑性樹脂の溶融温度以上で、せん断速度が１０［ｌ／ｓ］の時に熱可塑性樹脂の粘度が１×１０^３［Ｐａ・ｓ］以下である第１の温度に、マンドレルごと筒状体１Ａは加熱される。

第１の温度に加熱された筒状体はマンドレルごと加熱装置から取り外される。この段階においても、マンドレルにセットされた筒状体１Ａ（組紐層）の内部において、組まれた炭素繊維材同士の間には空隙が多く存在する。また、筒状体１Ａの全域にわたり、肉厚はほぼ一定である。

次に、加熱装置から取り外された筒状体１Ａが、熱可塑性樹脂の溶融温度未満に冷めない状態で、マンドレルごと成形装置に装着される。実施形態１では、筒状体１の径がほぼ一定であったため、成形装置の高温プレート３４は、筒状体１（およびマンドレル）の中心軸に沿って平坦な面形状を備えていた。しかし、実施形態２の筒状体１Ａ（およびマンドレル）はテーパー形状を有しているため、実施形態１とは異なる形態の高温プレート３４Ａを用いる。

すなわち、図４（ａ）に示すように、筒状体１Ａとの接触面がテーパー形状を有する高温プレート３４Ａを用い、マンドレルのテーパー面との間でテーパー形状の筒状体１Ａを挟持できるようにする。成形装置は、熱可塑性樹脂のガラス転移温度（Ｔｇ）以上もしくは筒状体１Ａの荷重たわみ温度以上であって、かつ熱可塑性樹脂の溶融温度未満である第２の温度になるよう制御された複数の高温プレート３４Ａ（高温プレート３４Ａの対）を備える。高温プレート３４Ａの対で筒状体１Ａを挟持し、筒状体１Ａの外周に挟圧力を加えながら相対的に高温プレート３４Ａを、図４（ａ）において紙面と直交する方向に揺動させることにより筒状体１Ａを中心軸Ｃの回りに転動させる。筒状体１Ａの外形が高温プレート３４の面形状に倣うように筒状体１Ａを成形する。同時に、筒状体１Ａの内面の形状は、マンドレルの外周面のテーパー形状に倣うように成形される。

各々の高温プレート３４Ａが筒状体１Ａと接触するのは、筒状体１の外周面のうち筒の軸方向に沿った線状あるいは帯状の領域であるが、接触部位が移動するように高温プレートを筒状体の軸方向と直交する方向に揺動させて筒状体１Ａを転動させる。言い換えれば、高温プレート３４Ａをマンドレルの軸方向と直交する方向に揺動させて筒状体１Ａを中心軸Ｃの回りに転動させる。こうすることにより、成形圧力をかける領域を移動させながら筒状体１Ａの全周を成形することができる。

高温プレート３４Ａの対を対向させて筒状体１Ａを挟持する場合には、高温プレート３４Ａを揺動させて筒状体１Ａを少なくとも半回転させることにより、筒状体１Ａの全周を高温プレート３４Ａにより成形することが可能である。尚、成形精度（筒状体の形状精度）を高めるため、筒状体１Ａを半回転以上回転させた後、高温プレート３４Ａの対を逆方向に揺動させて往復することにより、高温プレート３４Ａで筒状体１Ａの全周に対して複数回にわたり成形処理するのが好ましい。

筒状体１Ａにおいて高温プレート３４Ａと接触している部位には、高温プレート３４Ａとマンドレルに挟まれて筒状体１Ａの肉厚を薄くする方向に圧力がかかる。熱可塑性樹脂は溶融温度以上であるため流動性が高く、編まれた炭素繊維材同士の間の空隙に含浸する。ただし、高温プレート３４Ａ自身は、熱可塑性樹脂の溶融温度未満になるよう制御されているため、熱可塑性樹脂が筒状体１Ａの外側の高温プレート３４Ａ側に溢れ出ることはほとんどない。

本実施形態では、高温プレート３４Ａを筒状体１Ａの軸方向と直交する方向に揺動させるが、筒状体１Ａの大径部と小径部では外周長が異なるため、筒状体１Ａの小径部が高温プレート３４Ａに対して摺動しながら筒状体１Ａは中心軸回りに転動する。このため、成形前に比べて成形後においては、筒状体１Ａ（およびマンドレル）の中心軸Ｃに対して炭素繊維が成す角度が変化する。

本実施形態では、成形前には、図４（ａ）に示すように筒状体１Ａ（およびマンドレル）の中心軸Ｃに対して炭素繊維が成す角度は、大径部では炭素繊維の配向角度がＡ１であるのに対し、小径部では炭素繊維の配向角度はＡ２であり、Ａ１＞Ａ２であった。

一方、成形後には、筒状体１Ａの形状は、図５（ａ）に示す外観形状、および図５（ｂ）に示す断面形状になる。尚、図５（ａ）では、マンドレルは筒状体１Ａに覆われているため不可視である。また、図５（ｂ）は、成形後の筒状体１Ａを、筒の軸心に沿って切断した断面図であり、図示の便宜のためマンドレルは示していない。

成形後には、大径部では炭素繊維の配向角度がＡ３であるのに対し、小径部では炭素繊維の配向角度はＡ４であるが、成形前と比べると、Ａ４＞Ａ２である。また、Ａ１−Ａ２＞Ａ３−Ａ４である。また、大径部における筒状体１Ａの肉厚をｔ３、小径部における筒状体１Ａの肉厚をｔ４とした時、ｔ３＜ｔ４となる。すなわち、肉厚比ｔ４／ｔ３は１よりも大きい。また、Ａ３＞Ａ４である。

この段階では、マンドレルにセットされた筒状体１Ａ（組紐層）の内部において、組まれた炭素繊維材同士の間に熱可塑性樹脂が含浸して空隙が少なくなる。すなわち、組紐層内における熱可塑性樹脂の含浸の度合いが大きくなり、筒状体１Ａの密度（筒状体の外形形状に対する筒状体の重量）は、炭素繊維材同士の間に熱可塑性樹脂が最密に含浸した場合に近づいた状態となる。

次に、成形後の筒状体１Ａは成形装置から取り外され、本実施形態においても冷却装置に装着されて冷却される。実施形態２の筒状体１Ａ（およびマンドレル）はテーパー形状を有しているため、実施形態１とは異なる形態の低温プレートを用いる。すなわち、図４（ａ）を参照して説明した高温プレート３４Ａと同様に、筒状体１Ａとの接触面がテーパー形状を有する低温プレートを用いる。

冷却装置は、熱可塑性樹脂のガラス転移温度（Ｔｇ）未満もしくは筒状体１Ａの荷重たわみ温度未満の温度である第３の温度になるよう制御された複数の低温プレート（低温プレートの対）を備える。ここで、便宜的に低温プレートという名称を用いるのは、成形装置の高温プレート３４Ａよりも相対的に低温であることを示すためであり、室温よりも低温であるという意味ではない。同様に便宜的に冷却装置という名称を用いるのは、成形後の筒状体の温度を低下させることを示すためであり、室温よりも冷却するという意味ではない。

冷却装置は、低温プレートの対で筒状体１Ａを挟持して筒状体１Ａの外周に挟圧力を加えながら、低温プレートを筒状体１Ａの中心軸と直交する方向に揺動させる。これにより筒状体１Ａを中心軸回りに転動させ、成形装置により成形された筒状体１Ａの形状を維持しながら均一に冷却してゆく。熱可塑性樹脂が固化したら、筒状体１Ａすなわち繊維強化樹脂成形体をマンドレルから取り外す。

この段階では、筒状体１Ａ（組紐層）の内部は成形後の状態のまま、すなわち組まれた炭素繊維材同士の間に熱可塑性樹脂が含浸して空隙が少なくなった状態のまま、固化されている。すなわち、筒状体１Ａの密度（筒状体の外形形状に対する筒状体の重量）は、炭素繊維材同士の間に熱可塑性樹脂が最密に含浸した場合に近づいた状態で固化されており、筒状体１Ａは高い強度を有している。

特に、本実施形態では、テーパー形状を有する筒状部材を成形する際に、小径部の肉厚を大径部の肉厚よりも大きくし、小径部において中心軸に対する炭素繊維の配向方向が大きくなるように成形できるため、小径部の機械強度を強くすることができる。すなわち、小径部において、炭素繊維の配向方向を中心軸方向から周方向に向けて変化させ、炭素繊維の配置密度を高めることにより、例えば部品として用いられたときに取り付け部として応力が集中しがちな小径部の機械強度を高めることができる。

本実施形態の筒状の繊維強化樹脂成形体は、例えば、カメラの交換レンズなどの光学機器におけるレンズフード等に好適に用いられる筒状体である。ここで、レンズフードは、撮影光以外の不要光が撮影光学系に入射しないよう遮光する遮光部品であり、カメラ等の光学機器（撮像装置）の先端などに着脱可能に構成される。
本実施形態によれば、筒状の繊維強化樹脂成形体を形成する際に、高い形状精度で成形でき、しかも成形コストを抑制することができる。

［実施形態３］
実施形態１および実施形態２では、一度に１個の筒状体を成形装置で成形したが、実施形態３では一度に複数個の筒状体を成形する。実施形態１、あるいは実施形態２と共通する事項については、説明を簡略化あるいは省略する。尚、以下の実施形態３では、実施形態２と同様のテーパー形状を有する筒状体を６個同時に成形するが、同時に成形する筒状体の形状や個数はこの例に限られるものではない。

本実施形態で用いる６個のマンドレルの各々は、製造しようとする個別の筒状体に対応したテーパー形状を有するが、マンドレル同士を直列に接続したり個別に分離したりすることができる。すなわち、本実施形態のマンドレルは、複数個を接続して一体化することが可能であり、一体化したものを個別に分解することも可能である。組紐装置６を用いて繊維と熱可塑性樹脂とを含む筒状体を編む際には、６個のマンドレルを直列に接続して組紐装置６に装着し、６個の筒状体を連続して組んでマンドレルにセットする。

図６（ａ）は、テーパー形状を有するマンドレルを６個直列に接続した上に、６個分の筒状体１Ｂ（組紐層）が連続的に組まれてセットされ、組紐装置６から取り外された状態を示している。テーパー形状を有する６個のマンドレルは、大径部同士、あるいは小径部同士が向き合うように、交互に異なる向きで中心軸Ｃに沿って直列に接続され、その上に６個分の筒状体１Ｂが炭素繊維により連続的に組まれている。

この段階では、マンドレルにセットされた６個分の筒状体１Ｂ（組紐層）の内部において、組まれた炭素繊維材同士の間には空隙が多く存在する。また、６個分の筒状体１Ｂの各部において、実施形態２において図４（ａ）、（ｂ）を参照して説明したのと同様の炭素繊維の配向や筒状体の肉厚が形成されている。すなわち、各部において筒状体（およびマンドレル）の中心軸Ｃに対して炭素繊維が成す角度は、大径部では炭素繊維の配向角度がＡ１であるのに対し、小径部では炭素繊維の配向角度はＡ２であり、Ａ１＞Ａ２の関係がある。また、６個分の筒状体１Ｂの全域にわたり、筒状体の肉厚はほぼ一定である。

次に、図６（ａ）に示した６個分の筒状体１Ｂは、加熱装置にセットされ、熱可塑性樹脂の溶融温度以上である第１の温度に、マンドレルごと加熱される。第１の温度に加熱された６個分の筒状体１Ｂは、マンドレルごと加熱装置から取り外される。この段階においても、マンドレル８にセットされた筒状体１（組紐層）の内部において、組まれた炭素繊維材同士の間には空隙が多く存在する。

次に、加熱装置から取り外された６個分の筒状体１Ｂが、熱可塑性樹脂の溶融温度未満に冷めない状態で、マンドレルごと成形装置に装着される。本実施形態では、直列に接続された６個分の筒状体１Ｂを成形するため、実施形態１や実施形態２とは異なる形態の高温プレート３４Ｂを用いる。６個分の筒状体１Ｂとの接触面が、マンドレルの凹凸とは反転した形状を有する高温プレート３４Ｂを用い、高温プレート３４Ｂとマンドレルとの間で６個分の筒状体１Ｂを挟持できるようにする。

すなわち、図６（ｂ）に示すように、直列に接続された６個分の筒状体１Ｂとの接触面が、６個分のテーパー形状に整合する面形状（傾斜面）を有する高温プレート３４Ｂを用いる。高温プレート３４Ｂには、温度調整用に用いるヒーター３６Ｂが設けられている。高温プレート３４Ｂは、熱可塑性樹脂のガラス転移温度（Ｔｇ）以上もしくは６個分の筒状体１Ｂの荷重たわみ温度以上であって、かつ熱可塑性樹脂の溶融温度未満である第２の温度になるよう制御される。温度が制御された高温プレート３４Ｂの対により、６個分の筒状体１Ｂは挟持される。

図７（ａ）に示すように、１６個分の筒状体１Ｂの外形が高温プレート３４Ｂの面形状に倣うように６個分の筒状体１Ｂを成形する。同時に、６個分の筒状体１Ｂの内面の形状は、マンドレルの外周面のテーパー形状に倣うように成形される。

各々の高温プレート３４Ｂが６個分の筒状体１Ｂと接触するのは、筒状体の外周面のうち筒の軸方向に沿った線状あるいは帯状の領域であるが、接触部位が移動するように高温プレートを筒状体の軸方向と直交する方向に揺動させて筒状体を転動させる。言い換えれば、高温プレート３４Ｂをマンドレルの軸方向と直交する方向に揺動させて６個分の筒状体１Ｂを中心軸Ｃ回りに転動させる。こうすることにより、成形圧力をかける領域を移動させながら６個分の筒状体１Ｂを成形することができる。

６個分の筒状体１Ｂにおいて高温プレート３４Ｂと接触している部位には、高温プレート３４Ｂとマンドレルに挟まれて筒状体の肉厚を薄くする方向に圧力がかかるが、熱可塑性樹脂は溶融温度以上であるため流動性が高い。このため、編まれた炭素繊維材同士の間の空隙に熱可塑性樹脂が含浸する。ただし、高温プレート３４Ｂ自身は、熱可塑性樹脂の溶融温度未満になるよう制御されているため、熱可塑性樹脂が高温プレート３４Ｂ側（６個分の筒状体１Ｂの外側）に溢れ出ることはほとんどない。

また、実施形態２において説明したのと同様に、成形後には、大径部および小径部における炭素繊維の配向および筒状部の肉厚が変化する。すなわち、組紐層では、図７（ａ）において矢印で示すように、小径部に向かってが集まるように炭素繊維が移動し、筒状体の中心軸Ｃに対する炭素繊維の配向も変化する。

この段階では、マンドレルにセットされた６個分の筒状体１Ｂ（組紐層）の内部において、組まれた炭素繊維材同士の間に熱可塑性樹脂が含浸して空隙が少なくなる。すなわち、組紐層内における熱可塑性樹脂の含浸の度合いが大きくなり、６個分の筒状体１Ｂの密度（筒状体の外形形状に対する筒状体の重量）は、炭素繊維材同士の間に熱可塑性樹脂が最密に含浸した場合に近づいた状態となる。

次に、本実施形態においても成形後の６個分の筒状体１Ｂは成形装置から取り外され、冷却装置に装着されて冷却される。
冷却装置は、熱可塑性樹脂のガラス転移温度（Ｔｇ）未満もしくは６個分の筒状体１Ｂの荷重たわみ温度未満の温度である第３の温度になるよう制御された複数の低温プレート（低温プレートの対）を備える。６個分の筒状体１Ｂとの接触面が、マンドレルの凹凸とは反転した形状、すなわち図６（ｂ）に示した高温プレート３４Ｂと同様の接触面形状を有する低温プレートを用い、低温プレートとマンドレルとの間で６個分の筒状体１Ｂを挟持できるようにする。

冷却装置は、低温プレートの対で６個分の筒状体１Ｂを挟持し、６個分の筒状体１Ｂの外周に挟圧力を加えながら相対的に低温プレートを６個分の筒状体１Ｂの中心軸Ｃと直交する方向に揺動させる。これにより６個分の筒状体１Ｂを中心軸Ｃ回りに転動させ、成形装置により成形された６個分の筒状体１Ｂの形状を維持しながら均一に冷却してゆく。熱可塑性樹脂が固化したら、６個分の筒状体１Ｂを、冷却装置から取り外す。

この段階では、６個分の筒状体１Ｂ（組紐層）の内部は成形後の状態のまま、すなわち編まれた炭素繊維材同士の間に熱可塑性樹脂が含浸して空隙が少なくなった状態のまま、固化されている。すなわち、６個分の筒状体１Ｂの密度（筒状体の外形形状に対する筒状体の重量）は、炭素繊維材同士の間に熱可塑性樹脂が最密に含浸した場合に近づいた状態で固化されており、６個分の筒状体１Ｂは高い強度を有している。

次に、図７（ｂ）に示すように、各筒状体の境界位置に切断装置Ｓ（例えばカッター）を当てながらマンドレルを回転させ、連続した６個分の筒状体１Ｂを、６個の筒状体に切り分ける。
次に、図８（ａ）に示すように、直列接続していた６個のマンドレルを分解する。
最後に、図８（ｂ）に示すように、６個のマンドレル８Ｂの各々から、筒状の繊維強化樹脂成形体１００を取り外す。
本実施形態によれば、筒状の繊維強化樹脂成形体を形成する際に、複数個を同時に高い形状精度で成形でき、しかも成形コストを抑制することができる。

実施形態３に関する具体的な実施例を説明する。

図６（ａ）に示すように、テーパー形状を有するマンドレルを６個直列に接続した上に、６個分の筒状体１Ｂ（組紐層）を組んでセットした。筒状体１Ｂの形状は、大径部の径はΦ７０ｍｍ、小径部の径はΦ５５ｍｍとし、両者をテーパー面で接続する形状とした。また、２層の組紐層の間にプリプレグシートを挟み込んだ３層構造とした。熱可塑性樹脂を含有するプリプレグシートとして、開繊された連続繊維シート材と熱可塑性樹脂フィルムを加熱ロール等で挟み込むことで一体化させたものをテープ状にカットして用いた。

図６（ａ）に示す段階における６個分の筒状体１Ｂ（組紐層）のＶＦ（繊維体積含有率）は５０％とし、熱可塑性樹脂は粘度平均分子量が２２０００のポリカーボネートを用いた。熱可塑性樹脂が繊維に完全に含浸した時の理論厚みは０．１１５ｍｍとし、組紐層形成時の６個分の筒状体１Ｂ（組紐層）の密度は５０％〜６０％となるように設定した。
繊維材として、炭素繊維を用いた。筒状体（およびマンドレル）の中心軸Ｃに対して炭素繊維が成す角度は、大径部では６０°とし、小径部では５１°とした。

まず、図３（ａ）に示した加熱装置を用いて、成形前の６個分の筒状体１Ｂを３２０℃になるまで加熱した。この際の加熱手段３６は、ハロゲンヒーターを用いたが、加熱時にマンドレルを回転させることで、６個分の筒状体１Ｂにおける温度分布がなるべく小さくなるようにした。第１の温度である３２０℃に加熱された６個分の筒状体１Ｂは、マンドレルごと加熱装置から取り外され、不図示の搬送手段により成形装置に搬送され、セットされた。

成形装置において、図７（ａ）に示したように、高温プレート３４Ｂの対で６個分の筒状体１Ｂを挟持し、筒状体の外周に挟圧力を加えながら相対的に高温プレート３４Ｂを、紙面と直交する方向に揺動させ、筒状体を中心軸Ｃ回りに転動させた。成形圧力Ｐ１として、９．６ｋｇｆ／ｃｍ^２の圧力が掛かるように制御した。高温プレート３４Ｂはカートリッジヒーターを備え、第２の温度である２２０℃を維持するように高温プレート３４Ｂは制御された。また、高温プレート３４Ｂと６個分の筒状体１Ｂの摩擦を低減するために、表面にフッ素含有のセラミックコーティングを施した高温プレート３４Ｂを用いた。

成形された６個分の筒状体１Ｂは、マンドレルごと成形装置から取り外され、搬送手段により冷却装置に搬送した。冷却装置において、低温プレートの対で６個分の筒状体１Ｂを挟持し、筒状体の外周に挟圧力を加えながら相対的に低温プレートを、中心軸と直交する方向に揺動させることにより筒状体を中心軸回りに転動させた。挟圧力として、９．６ｋｇｆ／ｃｍ^２の圧力が掛かるように制御した。低温プレートには、伝熱流体の流路が設けられており、低温プレートを第３の温度である１２０℃に維持するように制御した。また、低温プレートと６個分の筒状体１Ｂとの摩擦を低減するために、低温プレートの表面にはフッ素含有のセラミックコーティングを施した。

冷却装置により固化された６個分の筒状体１Ｂを、図７（ｂ）に示すように、ファインカッターを用いてカットした。マンドレルとカッターが干渉して、マンドレルやカッターの刃が損傷するのを防止するため、カット位置には比較的柔軟な材料でできた交換可能な円環部材をマンドレル本体に装着しておくのが望ましい。筒状体１Ｂとマンドレル本体の間に円環部材を介在させることで、マンドレル本体やカッターの刃が損傷するのを防止でき、マンドレル本体やカッターを再使用することができる。

その後、図８（ａ）に示すように、連結されていたマンドレルを分解し、さらに図８（ｂ）に示すように、各々の筒状体（繊維強化樹脂成形体）をマンドレルから取り外した。図５（ａ）および図５（ｂ）に示す形状の筒状の繊維強化樹脂成形体が、６個製造された。
本実施例では、筒状の繊維強化樹脂成形体を形成する際に、複数個を同時に高い形状精度で成形でき、しかも成形コストを抑制することができた。

［他の実施形態］
なお、本発明は、以上説明した実施形態や実施例に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で多くの変形が可能である。
例えば、高温プレート及び低温プレートについて、プレートの数、配置、構成は、実施形態や実施例に限られるものではない。たとえば、高温プレートと低温プレートの各々については、プレート対を用いなくても、単板のプレートを用いてマンドレルとの間で筒状体を挟持し、圧力をかけながら揺動させて筒状体とマンドレルを転動させてもよい。また、高温プレート及び低温プレートの各々は、複数の部材の組み合わせにより構成されていてもよい。

また、上記の実施形態では、成形装置と冷却装置を別の装置としたが、例えばプレートの温度調整機構の能力を上げて広範囲の温度にわたり迅速に温度調節できるようにすれば、同一のプレートを用いて成形と冷却の両方を行うことができる。その場合には、成形装置と冷却装置を別の装置としなくてもよい。すなわち、プレートにヒートサイクル等の強制加熱冷却機構を設けて、高温プレートと低温プレートの機能を同一のプレートにて発揮させてもよい。

また、成形装置では高温プレートを、冷却装置では低温プレートを揺動させながら、回転自由に軸支されたマンドレルを転動させたが、マンドレルを直接回転駆動する機構を設けてマンドレルを回転させてもよい。

また、高温プレートおよび／または低温プレートには、筒状体の外面との摩擦を小さくする表面処理（摩擦低減処理）を施すのが好ましい。それにより、筒状体を構成する繊維が撚れることや、筒状体に含まれる熱可塑性樹脂がプレートに付着することを防止でき、表面が滑らかな繊維強化樹脂成形体を製造することができる。その際、摩擦を小さくする表面処理の種類は特に問わないが、フッ素が含浸されたニッケルやクロム等のメッキや、フッ素樹脂コーティング、セラミックコーティング、フッ素含有セラミックコーティング、ＤＬＣ等が好適である。

１、１Ａ・・・筒状体／１Ｂ・・・６個分の筒状体／３・・・炭素繊維の組紐層／４・・・１方向プリプレグシート層／５・・・炭素繊維の組紐層／６・・・組紐装置／８・・・マンドレル／１２、１３・・・組糸／１６・・・組紐層／３４、３４Ａ、３４Ｂ・・・高温プレート／３５・・・低温プレート／３６・・・加熱手段／３６Ｂ・・・ヒーター／Ｐ１・・・成形圧力／Ｐ２・・・挟圧力／Ｓ・・・切断装置

Claims (20)

1. 筒状に編まれた繊維と熱可塑性樹脂とを含む筒状体をマンドレルにセットし、
   前記筒状体を前記熱可塑性樹脂の溶融温度以上である第１の温度に加熱し、
   前記第１の温度に加熱された前記筒状体に、前記熱可塑性樹脂のガラス転移温度以上もしくは前記筒状体の荷重たわみ温度以上であって、かつ前記熱可塑性樹脂の溶融温度未満である第２の温度になるよう制御された第１プレートを接触させて加圧し、前記筒状体を転動させて成形し、
   成形された前記筒状体に、前記熱可塑性樹脂のガラス転移温度未満もしくは前記筒状体の荷重たわみ温度未満の温度である第３の温度になるよう制御された第２プレートを接触させて加圧し、前記筒状体を転動させて冷却し、
   冷却された前記筒状体を前記マンドレルから取り外す、
   ことを特徴とする繊維強化樹脂成形体の製造方法。
2. 前記第１の温度において、前記熱可塑性樹脂の粘度は、せん断速度が１０［ｌ／ｓ］の時に１×１０^３［Ｐａ・ｓ］以下である、
   ことを特徴とする請求項１に記載の繊維強化樹脂成形体の製造方法。
3. 前記第１プレートおよび／または前記第２プレートは、前記筒状体と接触して加圧しながら揺動し、前記筒状体を少なくとも１／２回転させる、
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の繊維強化樹脂成形体の製造方法。
4. 前記第１プレートおよび／または前記第２プレートは、前記筒状体と接触して加圧しながら、前記筒状体の中心軸と直交する方向に沿って揺動する、
   ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の繊維強化樹脂成形体の製造方法。
5. 前記第１プレートおよび／または前記第２プレートは、前記筒状体と接触して加圧しながら、前記マンドレルの中心軸と直交する方向に沿って揺動する、
   ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の繊維強化樹脂成形体の製造方法。
6. 前記第１プレートおよび／または前記第２プレートは、前記筒状体と接触して加圧しながら、所定の経路を往復するように揺動する、
   ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の繊維強化樹脂成形体の製造方法。
7. 温度調整機構を備えたプレートを前記第２の温度に制御して前記第１プレートとして用い、前記温度調整機構を備えたプレートを前記第３の温度に制御して前記第２プレートとして用いる、
   ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の繊維強化樹脂成形体の製造方法。
8. 前記マンドレルは、その中心軸に対して傾斜した外周面を有し、
   前記筒状体は、その中心軸に対して傾斜したテーパー面を有し、前記テーパー面が前記マンドレルの前記傾斜した外周面に沿うようにセットされ、
   前記筒状体において、直径が大きな部分の肉厚に対する直径が小さな部分の肉厚の比を肉厚比とすれば、
   前記筒状体を前記マンドレルにセットした際の前記肉厚比よりも、前記筒状体を前記第１プレートにより成形した後における前記肉厚比の方が大きい、
   ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の繊維強化樹脂成形体の製造方法。
9. 前記マンドレルは、その中心軸に対して傾斜した外周面を有し、
   前記筒状体は、その中心軸に対して傾斜したテーパー面を有し、前記テーパー面が前記マンドレルの前記傾斜した外周面に沿うようにセットされ、
   前記筒状体において、直径が大きな部分の肉厚に対する直径が小さな部分の肉厚の比を肉厚比とすれば、
   前記第１プレートにより成形した後における前記肉厚比は１よりも大きい、
   ことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の繊維強化樹脂成形体の製造方法。
10. 前記マンドレルは、その中心軸に対して傾斜した外周面を有し、
    前記筒状体は、その中心軸に対して傾斜したテーパー面を有し、前記テーパー面が前記マンドレルの前記傾斜した外周面に沿うようにセットされ、
    前記筒状体を前記マンドレルにセットした時に、前記筒状体の直径が大きな部分において編まれた前記繊維が前記筒状体の中心軸に対してなす角度をＡ１、直径が小さな部分において編まれた前記繊維が前記筒状体の中心軸に対してなす角度をＡ２とし、
    前記筒状体を前記第１プレートにより成形した後に、前記筒状体の直径が大きな部分において編まれた前記繊維が前記筒状体の中心軸に対してなす角度をＡ３、直径が小さな部分において編まれた前記繊維が前記筒状体の中心軸に対してなす角度をＡ４とした時、
    Ａ１−Ａ２＞Ａ３−Ａ４である、
    ことを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の繊維強化樹脂成形体の製造方法。
11. 前記マンドレルは、その中心軸に対して傾斜した外周面を有し、
    前記筒状体は、その中心軸に対して傾斜したテーパー面を有し、前記テーパー面が前記マンドレルの前記傾斜した外周面に沿うようにセットされ、
    前記筒状体を前記マンドレルにセットした時に、前記筒状体の直径が小さな部分において編まれた前記繊維が前記筒状体の中心軸に対してなす角度をＡ２とし、
    前記筒状体を前記第１プレートにより成形した後に、前記筒状体の直径が小さな部分において編まれた前記繊維が前記筒状体の中心軸に対してなす角度をＡ４とした時、
    Ａ４＞Ａ２である、
    ことを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の繊維強化樹脂成形体の製造方法。
12. 前記マンドレルは、その中心軸に対して傾斜した外周面を有し、
    前記筒状体は、その中心軸に対して傾斜したテーパー面を有し、前記テーパー面が前記マンドレルの前記傾斜した外周面に沿うようにセットされ、
    前記第１プレートおよび／または前記第２プレートは、前記マンドレルの外周面と対向する側に、前記マンドレルの外周面の傾斜に倣った傾斜面を有する、
    ことを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の繊維強化樹脂成形体の製造方法。
13. 前記第１プレートおよび／または前記第２プレートにおいて、前記筒状体の直径が大きな部分と接触する部分と、前記筒状体の直径が小さな部分と接触する部分とは、揺動する距離が等しい、
    ことを特徴とする請求項１２に記載の繊維強化樹脂成形体の製造方法。
14. 前記第２プレートにより前記筒状体を冷却した後、前記筒状体を複数の部分に切断し、その後に前記複数の部分を前記マンドレルから取り外し、複数の繊維強化樹脂成形体を得る、
    ことを特徴とする請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の繊維強化樹脂成形体の製造方法。
15. 前記筒状体を複数の部分に切断した後、前記マンドレルを複数の部位に分解し、前記複数の部分の各々を前記複数の部位から取り外し、前記複数の繊維強化樹脂成形体を得る、
    ことを特徴とする請求項１４に記載の繊維強化樹脂成形体の製造方法。
16. 筒状に編まれた繊維と熱可塑性樹脂とを含む筒状体をセット可能なマンドレルと、
    前記マンドレルにセットされた前記筒状体を前記熱可塑性樹脂の溶融温度以上である第１の温度に加熱する加熱機構と、
    前記熱可塑性樹脂のガラス転移温度以上もしくは前記筒状体の荷重たわみ温度以上であって、かつ前記熱可塑性樹脂の溶融温度未満である第２の温度になるよう制御され、前記第１の温度に加熱された前記筒状体に接触して加圧しながら揺動する第１プレートと、
    前記熱可塑性樹脂のガラス転移温度未満もしくは前記筒状体の荷重たわみ温度未満の温度である第３の温度になるよう制御され、前記筒状体に接触して加圧しながら揺動する第２プレートと、を備える、
    ことを特徴とする繊維強化樹脂成形体の製造システム。
17. 前記マンドレルは、複数の部位に分解することが可能である、
    ことを特徴とする請求項１６に記載の繊維強化樹脂成形体の製造システム。
18. 前記第１プレートおよび／または前記第２プレートにおいて、前記筒状体に接触する面には、摩擦低減処理がされている、
    ことを特徴とする請求項１６または１７に記載の繊維強化樹脂成形体の製造システム。
19. 筒状に編まれた繊維に熱可塑性樹脂が含浸し、テーパー面を有する筒形状の繊維強化樹脂成形体であって、
    直径が大きな部分の肉厚をｔ３、直径が小さな部分の肉厚をｔ４とした時に、
    ｔ３＜ｔ４である、
    ことを特徴とする繊維強化樹脂成形体。
20. 筒状に編まれた繊維に熱可塑性樹脂が含浸し、テーパー面を有する筒形状の繊維強化樹脂成形体であって、
    直径が大きな部分において編まれた前記繊維が前記筒形状の中心軸に対してなす角度をＡ３、直径が小さな部分において編まれた前記繊維が前記筒形状の中心軸に対してなす角度をＡ４とした時に、Ａ３＞Ａ４である、
    ことを特徴とする繊維強化樹脂成形体。
    
    
    

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