JP4797820B2 - 配列ヘッド - Google Patents

Description

本発明は、配列ヘッドに係り、詳しくは所定ピッチでピンが配置された繊維束被配列部材上の前記ピンで囲まれた範囲に、繊維束をピンに係合させて折り返すように配列して積層繊維束群（積層糸群）を形成する際に好適に使用される配列ヘッドに関する。

繊維強化複合材は軽量の構造材料として広く使用されている。繊維強化複合材のうち、三次元織物（三次元繊維構造体）を強化材として使用したものは強度が非常に高く、強化繊維として比弾性率が大きく、かつ比強度が大きい炭素繊維を使用した炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）は、その優れた性能を生かして航空機の構造材等に使用が考えられ、一部使用されている。このような繊維強化複合材の強化材に使用する三次元繊維構造体の製法として、繊維束（糸）が折り返し状に配列された複数の糸層を積層して少なくとも２軸配向となる積層糸群（積層繊維層）を形成し、その積層糸群を各糸層と直交する方向に配列される厚さ方向糸で結合する製造方法がある。ボビンから供給される繊維束を案内する配列ヘッドとして、従来は案内孔の断面形状が円形のパイプが使用されていた。

積層糸群を形成する繊維束は、繊維束断面が扁平な状態で配列されることが、最終的に得られる三次元繊維構造体の物性の点から好ましい。そして、近年、炭素繊維束（炭素繊維糸）として、繊維単糸数（フィラメント数）が３０００〜２４０００本程度で、無撚りの扁平な糸条（繊維束）がボビンに巻かれた状態で市販されている。

また、ＦＲＰ（繊維強化プラスチック）製のパイプを効率よく形成する方法としてフィラメントワインディング法がある。フィラメントワインディング法により強度の大きなＦＲＰ製パイプを製造するには、ＦＲＰ全体の体積に占める繊維の割合（Ｖｆ）を高くする必要がある。Ｖｆを高くするには細い繊維を使用して狭いピッチで配列する必要があり、細い繊維を狭いピッチで配列するにはマンドレルの両端に狭いピッチで配置された位置決めピンの間を通過して繊維の配列が可能な繊維供給ヘッドが必要になる。そして、フィラメントワインディングに使用した場合に繊維束又は糸を傷付けずに供給することができ、狭いピッチで配列されたピン間を通して繊維束又は糸を配列できる繊維供給ヘッドが提案されている（特許文献１参照）。

特許文献１に開示された繊維供給ヘッドは、支持筒部と、その先端にベアリングを介して回動可能に支持された案内パイプとを備えている。図５（ａ），（ｂ）に示すように、案内パイプ３１は、円筒状の本体３１ａの先端部に、その片側に膨出部３１ｂが形成されている。膨出部３１ｂは、案内パイプ３１の先端側ほど案内パイプ３１の軸と直交する断面積が大きくなるとともに内面が内側に凸の曲面形状に形成されている。膨出部３１ｂは扁平に形成されるとともに、その内面は案内パイプ３１の先端における接線が案内パイプ３１とほぼ直交する方向に延びるように形成されている。また、図５（ｂ）に示すように、膨出部３１ｂの先端は平らに形成されているため、繊維束が引き出される際に、繊維束断面が扁平な状態で配列され易くなる。
特開２０００−１０８２１２号公報

従来の配列ヘッドは、案内孔の断面形状が円形のパイプで構成されているため、扁平な状態でボビンに巻かれた繊維束が配列ヘッドに供給されても、繊維束が配列ヘッドの案内孔を通過する間に、案内孔の内面に沿って変形して、扁平の程度が小さな状態になる。特許文献１に記載の案内パイプ３１は、先端部に膨出部３１ｂが設けられるとともに膨出部３１ｂの先端が平らに形成されているため、案内パイプ３１内を移動する間に扁平の程度が小さな状態になった繊維束断面の扁平の程度が、膨出部３１ｂの先端が平らな部分に当たって移動する際に多少回復する。しかし、平らな部分の幅は案内パイプ３１の内径より小さく、扁平の程度はボビンに巻かれていた状態より小さな状態となる。

本発明は、前記従来の問題に鑑みてなされたものであって、その目的は、繊維束断面が扁平な状態で巻かれたボビンから供給される繊維束を、扁平の程度が小さくなるのを従来よりも抑制した状態で配列することができる配列ヘッドを提供することにある。

前記の目的を達成するため請求項１に記載の発明は、繊維束をその断面が扁平な状態で配列する配列ヘッドであって、棒状に形成されるとともに、前記繊維束を案内する案内孔は、断面形状が扁平で、かつ断面形状が扁平状態を維持しつつ配列ヘッドの基端から先端まで延びるように形成されている。

この発明の配列ヘッドを使用して、扁平な状態でボビンに巻かれた繊維束の配列を行うと、断面円形の案内孔を有する従来の配列ヘッドと異なり、繊維束が配列ヘッドの案内孔を通過する間に、繊維束断面の扁平の程度が小さくなるのが抑制される。従って、繊維束断面が扁平な状態で巻かれたボビンから供給される繊維束を、その扁平の程度が小さくなるのを従来よりも抑制した状態で配列することができる。ここで、「繊維束断面が扁平な状態」とは、糸幅／糸厚み比が２以上を意味し、１０〜７０であると好ましい。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記配列ヘッドは、前記案内孔の扁平な側と垂直な方向から見た場合、先端が円弧状に突出した形状に形成されている。ここで、「案内孔の扁平な側」とは、例えば、案内孔の断面形状が矩形の場合は長辺側を意味し、案内孔の断面形状が楕円の場合は長軸と対向する側を意味する。

この発明の配列ヘッドを使用した場合、案内孔に案内されて配列ヘッドの先端部に至った繊維束は、一方の扁平な側全体が、配列ヘッドの円弧状に突出した部分に押圧された状態で移動する。そして、円弧状に突出した部分が繊維束断面を押し拡げる作用を繊維束に与えるため、繊維束断面はより扁平な状態になって配列される。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載の発明において、前記案内孔の先端周縁部は円弧面に形成されている。この発明では、繊維束として炭素繊維のように毛羽の発生し易い繊維束を使用した場合にも支障なく繊維束を案内することができる。

請求項４に記載の発明は、請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の発明において、前記配列ヘッドは、前記案内孔の断面形状が矩形であって、該矩形の二つの短辺の中心を通る平面に対して対称に形成されている。この発明では、繊維束をピンに係合させて折り返すように配列する場合、配列ヘッドをピンと対応する位置で９０度あるいは１８０度回動させなくても、円滑に繊維束の配列を行うことが可能になる。

本発明によれば、繊維束断面が扁平な状態で巻かれたボビンから供給される繊維束を、扁平の程度が小さくなるのを従来よりも抑制した状態で配列することができる。

以下、本発明を具体化した一実施形態を図１〜図３にしたがって説明する。
図１（ａ）に示すように、配列ヘッド１１は棒状に形成されるとともに、繊維束を案内する案内孔１２が扁平な状態で延びるように基端から先端まで形成されている。図１（ｂ）に示すように、配列ヘッド１１は、長手方向と直交する断面における形状が円形で、案内孔１２が扁平な矩形状に形成されている。図１（ａ），（ｃ）に示すように、配列ヘッド１１は、案内孔１２の扁平な側と垂直の方向から見た場合、先端（繊維束の出口側端部）が円弧状に突出した形状に形成されている。即ち、配列ヘッド１１は、円弧状突出部１１ａを備えている。この実施形態では、案内孔１２の扁平な側は、矩形の長辺となる。配列ヘッド１１は外径が一定で、案内孔１２の断面積は先端部及び基端部を除いて一定に形成されている。配列ヘッド１１は、案内孔１２の中心を通り案内孔１２の扁平な側が互いに分かれる状態に２分割する平面、即ち、矩形の二つの短辺の中心を通る平面に対して対称に形成されている。配列ヘッド１１は金属製又はセラミック製である。

案内孔１２は、扁平な矩形の短辺が、例えば、０．５ｍｍ程度に形成されている。図１（ｄ）に示すように、配列ヘッド１１は、先端部において内面が内側に凸の曲面で形成されている。また、図１（ｃ）に示すように、案内孔１２の先端部において、矩形の短辺に対応する部分も内面が内側に凸の曲面で形成されている。即ち、案内孔１２の先端周縁部は円弧面に形成されている。

次に前記のように構成された配列ヘッド１１の作用を説明する。配列ヘッド１１は、繊維束配列装置の繊維束配列部に取り付けられて使用される。図２に示すように、繊維束配列装置は、ベース部２１、繊維束配列部２２を備えている。ベース部２１は繊維束被配列部材としての枠体２３を支持する。枠体２３は長方形状に形成され、ピン２４が枠体２３の上面に所定ピッチ（例えば、数ｍｍピッチ）で配置されている。各ピン２４は、枠体２３の上方に向かって垂直に突出するように、枠体２３に取外し可能に固定されている。

繊維束配列部２２は、ベース部２１に対してＸ方向、Ｙ方向及びＺ方向に対して相対移動可能に設けられている。この実施形態では、Ｘ方向とはベース部２１に固定された枠体２３の長手方向と平行な方向を意味し、Ｙ方向はベース部２１の上面と平行な面内でＸ方向と直交する方向を意味し、Ｚ方向はＸ方向及びＹ方向に垂直な方向を意味する。

繊維束配列部２２は、上下方向に延びる支持部２５を備え、その先端に配列ヘッド１１が支持されている。支持部２５はＸ，Ｙ，Ｚ方向へ任意に移動可能、かつ鉛直軸に対して回動可能なロボットアーム２６に固定されている。繊維束配列部２２には、繊維束Ｆが扁平な状態で巻かれたボビンを備える繊維束供給部（図示せず）から繊維束Ｆが供給され、繊維束Ｆ（使用する繊維束として、例えば、糸幅は６．５ｍｍ、糸厚みは０．１５ｍｍで扁平率が４３である）は支持部２５及び配列ヘッド１１を経て配列ヘッド１１の先端から扁平な状態で引き出されて配列されるようになっている。

繊維束Ｆの配列に先立って、図示しないボビンから繰り出した繊維束Ｆを図示しない張力調整装置、ガイド部等を経て支持部２５へ導き、配列ヘッド１１の案内孔１２に挿通して、繊維束Ｆの端部ＦＥを配列ヘッド１１の先端から引き出す。そして、ロボットアーム２６を駆動させて配列ヘッド１１を枠体２３の一隅の配列開始位置に配置し、繊維束Ｆの先端を枠体２３の外側の所定位置に固定する。繊維束Ｆの固定は例えば図示しない接着テープを使用して行う。この状態からロボットアーム２６が駆動され、支持部２５が配列面に対して垂直に保持された状態で支持部２５が移動される。そして、ボビンから扁平な状態で繰り出された繊維束Ｆは、張力調整装置で適正な張力が付与された状態で配列ヘッド１１から繰り出されて枠体２３上のピン２４で囲まれた範囲に、ピン２４に係合して折り返す状態で配列される。

配列ヘッド１１が枠体２３のＸ方向における他端側のピン２４の外側まで移動された時点でロボットアーム２６は一時停止し、次にピン２４の１ピッチ分Ｙ方向に移動し、次にＸ方向の逆方向へ移動して繊維束Ｆの配列を行う。以下、同様にして、繊維束Ｆの１層分のＸ方向への配列が完了した後、Ｙ方向への繊維束Ｆの配列が行われる。そして、１層分のＹ方向への繊維束Ｆの配列が完了した後、Ｘ方向及びＹ方向に対して±４５°の角度を成すバイアス方向への繊維束Ｆの配列が行われる。

バイアス方向への繊維束Ｆの配列を行う場合は、ロボットアーム２６が回動されて、案内孔１２の扁平側がＸ方向及びＹ方向に対して４５°の角度を成すように配列ヘッド１１が配置される。その状態でロボットアーム２６がＸ方向及びＹ方向に対して同じ速度で移動され、配列ヘッド１１がＸ方向及びＹ方向に対して４５°の角度で移動されてバイアス方向への繊維束Ｆの配列が行われる。１層分の４５°のバイアス方向への繊維束Ｆの配列が行われた後、１層分の−４５°のバイアス方向への繊維束Ｆの配列が行われる。

以下、同様にしてＸ方向配列繊維束層、Ｙ方向配列繊維束層及びバイアス方向配列繊維束層が所定数積層されると積層繊維束群の配列が完了する。そして、枠体２３が積層繊維束群と共にベース部２１から取り外され、公知の方法で結合糸（厚さ方向糸）が挿入されて三次元繊維構造体が形成される。なお、図２においては、配列された繊維束Ｆを分かり易く表すために隣接する繊維束Ｆの間に隙間を設けているが、実際は隣接する繊維束Ｆの端部は重なった状態で配列されている。

繊維束Ｆはその幅がピン２４の中心間の距離と同じ状態でボビンに巻かれており、配列ヘッド１１は、外径が隣接するピン２４間の距離とほぼ同じため、繊維束Ｆは配列ヘッド１１を通過する際に幅が狭くなる。この実施形態の配列ヘッド１１では、図３（ａ）に示すように、案内孔１２の断面形状が矩形のため、繊維束Ｆはその幅が若干狭まった状態で案内孔１２を通過して、案内孔１２の出口から繰り出されて枠体２３上に配列される。配列ヘッド１１の先端が平らな場合でも、案内孔１２の断面形状が扁平な矩形状であれば、幅が若干狭くなった状態で案内孔１２を通過した繊維束Ｆは、配列ヘッド１１の先端から引き出されるとほぼ元の状態に戻る。

この実施形態の配列ヘッド１１は、先端部に円弧状突出部１１ａが形成されているため、案内孔１２から引き出される繊維束Ｆが円弧状突出部１１ａに押圧された状態で引き出されることにより、円弧状突出部１１ａが繊維束Ｆの幅を拡げるように作用し、繊維束Ｆはボビンに巻かれていた時の幅以上の幅で配列される。

一方、図３（ｃ）に示すように、従来の配列ヘッドのように案内孔１２の断面形状が円形の場合、繊維束Ｆが案内孔１２を構成する配列ヘッド１１の内面に沿って中心に寄る状態となり、扁平の程度が小さくなって出口へ向かう。また、配列ヘッド１１がピン２４と対応する位置で繊維束Ｆをピン２４に係合させて折り返すように移動する際、繊維束Ｆが案内孔１２内で捻れる虞もある。また、案内孔１２が扁平であっても、図３（ｂ）に示すように、案内孔１２の断面形状が矩形の長辺を内側に凸となるように湾曲させた形状の場合は、繊維束Ｆが端に寄ってしまう虞がある。

この実施形態によれば、以下に示す効果を得ることができる。
（１）配列ヘッド１１は、棒状に形成されるとともに、繊維束Ｆを案内する案内孔１２が扁平な状態で延びるように基端から先端まで形成されている。そして、扁平な状態でボビンに巻かれた繊維束Ｆを配列ヘッド１１に供給して繊維束Ｆの配列を行うと、断面円形の案内孔を有する従来の配列ヘッドと異なり、繊維束Ｆが配列ヘッド１１の案内孔１２を通過する間に、繊維束Ｆの断面の扁平の程度が小さくなるのが抑制される。従って、繊維束Ｆの断面が扁平な状態で巻かれたボビンから供給される繊維束Ｆを、その扁平の程度が小さくなるのを従来よりも抑制した状態で配列することができる。

（２）案内孔１２の断面形状が扁平な矩形状、即ち断面形状が一対の平行な長辺を有する形状に形成されている。従って、繊維束Ｆは、平面に沿って移動し、断面形状が扁平であっても円弧を含む形状の場合に比較して、繊維束Ｆの断面の扁平の程度を小さくせずに、即ち繊維束Ｆの幅を狭くせずに案内することができる。

（３）配列ヘッド１１は、案内孔１２の扁平な側と垂直な方向から見た場合、先端が円弧状に突出した形状に形成されている。従って、案内孔１２に案内されて配列ヘッド１１の先端部に至った繊維束Ｆは、一方の扁平な側全体が、配列ヘッド１１の円弧状に突出した部分（円弧状突出部１１ａ）に押圧された状態で移動する。そして、円弧状突出部１１ａが繊維束Ｆの断面を押し拡げる作用を繊維束Ｆに与えるため、繊維束Ｆはより扁平な状態、即ち幅が拡げられた状態になって配列される。

（４）案内孔１２の先端周縁部は円弧面に形成されている。従って、繊維束Ｆとして炭素繊維のように毛羽の発生し易い繊維束Ｆを使用した場合にも支障なく繊維束Ｆを案内することができる。また、配列ヘッド１１の先端に形成された円弧状突出部１１ａによる繊維束Ｆを拡げる作用が円滑に行われる。

（５）配列ヘッド１１は、案内孔１２の中心を通り案内孔１２の扁平な側が互いに分かれる状態に２分割する平面に対して対称に形成されている。従って、繊維束Ｆをピン２４に係合させて折り返すように配列する場合、配列ヘッド１１をピン２４と対応する位置で９０度あるいは１８０度回動させなくても、円滑に繊維束Ｆの配列を行うことが可能になる。

（６）配列ヘッド１１は外径が一定で断面円形の棒状に形成されている。従って、配列ヘッド１１の外形を案内孔１２の形状に対応させて扁平な形状とした場合に比較して、繊維束Ｆの配列時に配列ヘッド１１がピン２４に係合した際に、配列ヘッド１１が変形し難い。

実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。
○ 配列ヘッド１１の案内孔１２は、断面形状が扁平な矩形状に限らない。例えば、一対の平行な長辺を有する台形状や、あるいは扁平な矩形の長辺が湾曲した形状や楕円状であってもよい。しかし、一対の平行な長辺に代えて、湾曲した長辺を有する形状の場合は、一対の平行な長辺を有する形状の場合に比較して繊維束Ｆが案内孔１２を通過する間に繊維束Ｆの断面の扁平の程度が小さくなり易いため、配列ヘッド１１の先端に円弧状突出部１１ａを形成するのが好ましい。

○ 配列ヘッド１１は、案内孔１２の断面形状が扁平な形状であればよく、先端に円弧状突出部１１ａを設けずに、配列ヘッド１１の先端を平らな端面にしてもよい。
○ 配列ヘッド１１は案内孔１２の中心を通る平面に対して対称に形成されていなくてもよい。例えば、円弧状突出部１１ａを一対設けずに、片側のみ設けてもよい。

○ 配列ヘッド１１は、図４（ａ）に示すように、扁平な筒状に形成してもよい。また、図４（ｂ）に示すように、扁平な筒状のパイプ１３の外側に樹脂部１４を設けて断面形状が円形の棒状に形成してもよい。パイプ１３は金属製の方がセラミック製に比べて、破損し難く、容易に製造できる。

○ 繊維束配列装置で配列する繊維束Ｆは炭素繊維に限らず、例えば、ボロン繊維、炭化ケイ素繊維、ガラス繊維等の無機繊維やポリアラミド繊維、超高分子量ポリエチレン繊維等の有機繊維を使用してもよい。

以下の技術的思想（発明）は前記実施形態から把握できる。
（１）配列ヘッドの発明において、配列ヘッドは断面円形の棒状に形成されている。

（２）配列ヘッドの発明において、前記案内孔は断面形状が一対の平行な長辺を有する形状である。

一実施形態を示し、（ａ）は配列ヘッドの模式斜視図、（ｂ）は長手方向と直交する面による断面図、（ｃ）は（ｄ）のＣ−Ｃ線における断面図、（ｄ）は配列ヘッドを案内孔の扁平な面と垂直な平面で切断した状態における断面図。 繊維束の配列状態を示す模式斜視図。 （ａ），（ｂ），（ｃ）は配列ヘッドにおける孔の断面形状の違いによる作用を説明する模式断面図。 （ａ），（ｂ）は別の実施形態における配列ヘッドの模式断面図。 （ａ），（ｂ）は従来技術を示す模式図。

符号の説明

Ｆ…繊維束、１１…配列ヘッド、１２…案内孔。

Claims (4)

1. 繊維束をその断面が扁平な状態で配列する配列ヘッドであって、棒状に形成されるとともに、前記繊維束を案内する案内孔は、断面形状が扁平で、かつ断面形状が扁平状態を維持しつつ配列ヘッドの基端から先端まで延びるように形成されていることを特徴とする配列ヘッド。
2. 前記配列ヘッドは、前記案内孔の扁平な側と垂直の方向から見た場合、先端が円弧状に突出した形状に形成されている請求項１に記載の配列ヘッド。
3. 前記案内孔の先端周縁部は円弧面に形成されている請求項１又は請求項２に記載の配列ヘッド。
4. 前記配列ヘッドは、前記案内孔の断面形状が矩形であって、該矩形の二つの短辺の中心を通る平面に対して対称に形成されている請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の配列ヘッド。

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