JP6018119B2 - タンクの製造方法、ヘリカル巻き装置、及び、フィラメントワインディング装置 - Google Patents

Description

本発明は、マンドレルに繊維束を巻き付けるための技術に関する。

従来、複数個のガイド部によって繊維束をマンドレルに供給する、いわゆる多給系のヘリカル巻き装置が知られている（例えば、特許文献１）。特許文献１に開示されたヘリカル巻き装置は、ガイドリングの周方向に沿って等間隔おきに配置された一群のガイド筒と、一群のガイド筒における周方向の位置を第１の位置（第１の状態における位置）と第２の位置（第２の状態における位置）とに切り換える位相切換構造と、を備える。

ガイド筒によってマンドレルに繊維束が供給されることで、マンドレルに繊維束がヘリカル巻きによって巻き付けられる。巻き付けられた繊維束はマンドレルの周囲に補強層を形成することで、圧力容器などのタンクが製造される。

特開２００９−１１９８０３号公報

特許文献１の技術では、マンドレルに繊維束をヘリカル巻きによって巻き付ける際に、補強層の面内方向において、マンドレルに巻き付けられた繊維束間に隙間が生じる場合があった。特に、マンドレルのうち径が一定のストレート部において、繊維束間に隙間が生じる場合があった。本明細書において、「繊維束間の隙間」とは、繊維束が巻き付けられることで形成される補強層の面内方向（マンドレルの表面に沿った方向）における隙間をいう。

マンドレルに巻き付けられた繊維束間に隙間が生じることで、製造されたタンクの強度が十分に向上できない可能性が生じる。また、繊維束間の隙間の発生を低減するために幅を広げた繊維束を用いた場合、繊維束を供給するためのガイド筒が大きくなる。よって、隣り合うガイド筒同士の干渉を防止するために、隣り合うガイド筒同士の間隔を広げる等のガイド筒の配置位置が制限される場合がある。配置位置が制限されたガイド筒を用いて幅を広げた繊維束がマンドレルに巻き付けられた場合、幅の広い繊維束間に隙間が発生する可能性がある。

上記のごとく、マンドレルに巻き付けられる繊維束間の隙間の発生を低減する技術が望まれている。また、マンドレルに巻き付けられる繊維束の面内方向の重なりを低減する技術が望まれている。また、上記技術において、製造工程を簡素化することや、製造コストを低減すること等が望まれている。

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。
［形態１］
マンドレルに繊維束をヘリカル巻きするためのヘリカル巻き装置であって、
前記マンドレルを通過させるための開口を有する第１のガイドリングと、
前記マンドレルの軸心を中心とした周方向に沿って前記第１のガイドリングに配置され、第１の繊維束を前記マンドレルに供給する複数の第１のガイド部と、
前記第１のガイド部によって前記第１の繊維束を前記マンドレルに供給して、前記第１の繊維束を前記マンドレルに巻き付けている際に、前記第１のガイド部を周方向に揺れ動かす揺動機構と、を備える、ヘリカル巻き装置。
この形態によれば、揺動機構によって第１のガイド部を周方向に揺れ動かしながら第１の繊維束をマンドレルに巻き付けることができる。これにより、巻き付けられた後の第１の繊維束の幅を広げることができるので、隣り合う繊維束間の隙間の発生を低減できる。

（１）本発明の一形態によれば、マンドレルに繊維束をヘリカル巻きするためのヘリカル巻き装置を用いたタンクの製造方法が提供される。ヘリカル巻き装置は、前記マンドレルを通過させるための開口を有し、前記マンドレルの軸心を中心とした前記マンドレルの周囲に配置される第１のガイドリングと、前記軸心を中心とした周方向に沿って前記第１のガイドリングに配置され、第１の繊維束を前記マンドレルに供給する複数の第１のガイド部と、を有し、前記タンクの製造方法は、前記マンドレルが前記開口を通過するように、前記第１のガイドリングに対して前記マンドレルを前記軸心に沿った軸心方向に相対的に移動させる移動工程と、前記移動工程によって前記マンドレルを相対的に移動させつつ、前記第１のガイド部が、前記周方向に揺れ動きながら前記繊維束を前記マンドレルに供給することで前記マンドレルに前記第１の繊維束を巻き付ける巻き付け工程と、を備える。この形態のタンクの製造方法によれば、第１のガイド部が周方向に揺れ動きながら第１の繊維束をマンドレルに巻き付けることで、巻き付けられた後の第１の繊維束の幅を広げることができる。これにより、隣り合う繊維束間の隙間の発生を低減できる。

（２）上記形態のタンクの製造方法であって、前記ヘリカル巻き装置は、さらに、前記マンドレルを通過させる開口を有し、前記マンドレルの軸心を中心とした前記マンドレルの周囲であって、前記軸心方向に前記第１のガイドリングと並んで配置された第２のガイドリングと、前記周方向に沿って前記第２のガイドリングに配置され、第２の繊維束を前記マンドレルに供給する複数の第２のガイド部と、を有し、前記第１のガイド部と前記第２のガイド部とは、前記軸心に沿った方向に見たときに、前記周方向に沿って交互に配置され、前記巻き付け工程は、前記第１のガイド部が、前記周方向に揺れ動きながら前記第１の繊維束を前記マンドレルに供給することで前記マンドレルに前記第１の繊維束を巻き付けると共に、前記第２のガイド部が、前記周方向の位置が固定された状態で、前記第２の繊維束を前記マンドレルに供給することで前記マンドレルに前記第２の繊維束を巻き付ける工程を含んでも良い。この形態のタンクの製造方法によれば、第２のガイド部を用いて巻き付けられた第２の繊維束間に、第１のガイド部を用いた第１の繊維束が巻き付けられる。これにより、第１のガイド部を用いて巻き付けられた第１の繊維束の幅が広がることで、隣り合う繊維束間の隙間を低減できる。また、周方向の位置が固定された第２のガイド部を用いて巻き付けられた第２の繊維束間に、周方向に揺れ動く第１のガイド部を用いて第１の繊維束が供給される。これにより、第１のガイド部によって巻き付けられた第１の繊維束の位置ズレを第２のガイド部によって巻き付けられた第２の繊維束によって制限できる。よって、第１の繊維束の位置が安定するので、隣り合う繊維束同士が重なることを抑制できる。

（３）上記形態のタンクの製造方法であって、前記移動工程における前記マンドレルの相対的な移動方向は、前記軸心方向において、前記第２のガイド部が位置する側から前記第１のガイド部が位置する側へと向かう方向であっても良い。この形態のタンクの製造方法によれば、第２のガイド部を用いて繊維束を巻き付けた後に、巻き付けた繊維束間に第１のガイド部を用いて巻き付けた繊維束を安定して配置できる。これにより、第１のガイド部を用いてマンドレルに巻き付けられた繊維束の位置が更に安定する。これにより、隣り合う繊維束同士が重なることを更に抑制できる。

（４）上記形態のタンクの製造方法であって、前記第１のガイド部が供給する前記第１の繊維束の厚さは、前記第２のガイド部が供給する前記第２の繊維束の厚さよりも薄くても良い。この形態のタンクの製造方法によれば、第２のガイド部を用いて巻き付けられた厚い第２の繊維束間に、第１のガイド部を用いて巻き付けた薄い第１の繊維束を配置できる。これにより、第１の繊維束の位置がより一層安定する。

（５）上記形態のタンクの製造方法であって、前記第１のガイド部の前記周方向に揺れ動く範囲は、前記マンドレルの径が大きくなるに従い大きくなっても良い。一般に、マンドレルの径が大きくなる程、巻き付けられた繊維束間の隙間が大きくなる。この形態のタンクの製造方法によれば、揺れ動く範囲を大きくすることで第１の繊維束の幅をより広げることができる。よって、巻き付ける部分の径が変化した場合でも、巻き付ける部分に応じて適切に隣り合う繊維束間の隙間を低減できる。

（６）本発明の他の一形態によれば、マンドレルに繊維束をヘリカル巻きするためのヘリカル巻き装置が提供される。このヘリカル巻き装置は、前記マンドレルを通過させるための開口を有する第１のガイドリングと、前記マンドレルの軸心を中心とした周方向に沿って前記第１のガイドリングに配置され、第１の繊維束を前記マンドレルに供給する複数の第１のガイド部と、前記第１のガイド部を周方向に揺れ動かす揺動機構と、を備える。この形態のヘリカル巻き装置によれば、揺動機構によって第１のガイド部を周方向に揺れ動かしながら第１の繊維束をマンドレルに巻き付けることができる。これにより、巻き付けられた後の第１の繊維束の幅を広げることができるので、隣り合う繊維束間の隙間の発生を低減できる。

（７）上記形態のヘリカル巻き装置であって、さらに、前記マンドレルを通過させるための開口を有し、前記軸心に沿った軸心方向に前記第１のガイドリングと並んで配置された第２のガイドリングと、前記周方向に沿って前記第２のガイドリングに配置され、第２の繊維束を前記マンドレルに供給する複数の第２のガイド部と、を有し、前記第１のガイド部と前記第２のガイド部とは、前記軸心方向に見たときに、前記周方向に沿って交互に配置され、前記第２のガイド部は、前記周方向の位置が固定されていても良い。この形態のヘリカル巻き装置によれば、第２のガイド部を用いて巻き付けられた第２の繊維束間に、第１のガイド部を用いた第１の繊維束を巻き付けることができる。これにより、第１の繊維束の幅が広がることで、隣り合う繊維束間の隙間を低減できる。また、周方向の位置が固定された第２のガイド部を用いて巻き付けられた第２の繊維束間に、周方向に揺れ動く第１のガイド部を用いて第１の繊維束を供給できるので、第１の繊維束の位置の移動を第２の繊維束によって制限できる。これにより、第１の繊維束の位置が安定するので、隣り合う繊維束同士が重なることを抑制できる。

（８）上記形態のヘリカル巻き装置であって、前記第１のガイド部が供給する前記第１の繊維束の厚さは、前記第２のガイド部が供給する第２の前記繊維束の厚さよりも薄くても良い。この形態のヘリカル巻き装置によれば、第２のガイド部を用いて巻き付けられた厚い第２の繊維束間に、第１のガイド部を用いて巻き付けた薄い第１の繊維束を配置できる。これにより、マンドレルに巻き付けられた第１の繊維束の位置がより一層安定する。

（９）上記形態のヘリカル巻き装置であって、前記揺動機構は、前記マンドレルの径が大きくなるに従い、前記第１のガイド部を前記周方向に揺れ動かす範囲を大きくしても良い。この形態のヘリカル巻き装置によれば、揺れ動かす範囲を大きくすることで第１の繊維束の幅をより広げることができる。これにより、巻き付ける部分の径が変化した場合でも、巻き付ける部分に応じて適切に隣り合う繊維束間の隙間を低減できる。

なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、ヘリカル巻き装置を備えるフィラメントワインディング装置、上記形態の装置を用いて製造したタンク、上記形態の製造方法を実現するためのコンピュータプログラム、そのコンピュータプログラムを記録した一時的でない記録媒体等の形態で実現することができる。

本発明の一実施形態としての繊維巻付装置の外観構成を示す斜視図である。 ヘリカル巻きを説明するための図である。 フープ巻きを説明するための図である。 ヘリカル巻き装置の詳細を説明するための図である。 ヘリカル巻き装置の正面図である。 ヘリカル巻き装置の側面図である。 図６のＦ６−Ｆ６部分断面図である。 ヘリカル巻き装置を説明するための図である。 タンクの製造方法を説明するフローチャートである。 上記実施形態の効果の一つを説明するための図である。

Ａ．実施形態：
図１は、本発明の一実施形態としての繊維巻付装置の外観構成を示す斜視図である。繊維巻付装置１０は、フィラメントワインディング法によってマンドレル５０に繊維束を巻き付ける装置である。本実施形態では、マンドレル５０に巻き付ける繊維束は、直径が数マイクロメートル程度の単繊維を複数（例えば、２万本）束ねて構成されている。また、この繊維束は、熱硬化性樹脂が含浸されたカーボン繊維（いわゆるプリプレグ）の集合である。本実施形態では、熱硬化性樹脂として、エポキシ樹脂を用いる。また、本実施形態では、カーボン繊維として、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）系カーボン繊維を用いる。なお、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）系カーボン繊維に代えて、レーヨン系カーボン繊維やピッチ系カーボン繊維など、他の任意のプリプレグを用いても良い。

マンドレル５０は、本実施形態では、樹脂成形品により構成されている。なお、かかる樹脂成形品に代えて、高強度のアルミニウム材やステンレス材等の金属材により構成しても良い。マンドレル５０の形状は、カプセル状（タンク容器状）である。具体的には、マンドレル５０は、マンドレル５０の軸心ＡＸ方向の中央部分に形成された胴体部と、胴体部の両端からそれぞれ連続して形成されているドーム部とを有する。マンドレル５０の両端に位置する２つのドーム部のうち、少なくとも一方のドーム部の円頂部分には、図示しない口金部が形成されている。本実施形態では、繊維束が巻き付けられたマンドレル５０を利用して、高圧ガスタンクが製造される。この高圧ガスタンクは、例えば、燃料電池車両において、燃料ガスである水素ガスの収容タンクとして用いられる。口金部は、タンクへの水素ガスの貯蔵およびタンクからの水素ガスの排出に用いられる。なお、図１には、Ｘ軸とＹ軸とＺ軸とを明示している。Ｘ軸は、マンドレル５０の軸心ＡＸ方向と平行である。Ｙ軸は鉛直方向と平行である。なお、−Ｙ軸方向は、鉛直下方向に相当する。Ｚ軸は、水平方向と平行である。

繊維巻付装置１０は、クリール装置２１０と、基台３００と、フープ巻き装置１００と、ヘリカル巻き装置２００と、を備えている。

クリール装置２１０は、繊維束が巻かれた多数のボビン２１１と、給糸ガイド２１２とを備えており、各ボビン２１１から給糸ガイド２１２を介してヘリカル巻き装置２００に繊維束を供給する。図１に示すように、クリール装置２１０は、基台３００と平行して配置されている。

基台３００は、Ｘ軸方向に沿って延設されており、第１のレール３０２と、第２のレール３０４と、第１の支持台３１０と、第２の支持台３１１とを備えている。第１のレール３０２及び第２のレール３０４は、いずれも基台３００の上面において互いに平行となるように形成された一対の溝であり、基台３００の長手方向（Ｘ軸方向に沿った方向）に延設されている。第２のレール３０４は、第１のレール３０２を挟むように配置されている。

第１の支持台３１０は、第２の支持台３１１と共にマンドレル５０を支持する。第１の支持台３１０は、基台３００の上面において、ヘリカル巻き装置２００に対して＋Ｘ軸方向側に配置されている。第１の支持台３１０は、図示しない駆動機構により駆動されて、第１のレール３０２上を往復動できる。第１の支持台３１０は、ベース３１２と、支持腕３１４と、チャック３１６と、取付治具３１８と、を備えている。ベース３１２は、板状の部材であり、第１のレール３０２に対して、スライド可能に配置されている。支持腕３１４は、Ｙ軸方向を長手方向とする四角柱状の外観形状を有し、ベース３１２から上方向に向かって延びる。チャック３１６は、支持腕３１４の上端部、換言すれば、支持腕３１４がベース３１２に固定されている側とは反対側の端部に設けられている。チャック３１６は、取付治具３１８を固定する。取付治具３１８は、略棒状の治具であり、マンドレル５０を支持する。詳細には、取付治具３１８は、一端部でマンドレル５０のドーム部を保持し、他端部はチャック３１６に固定される。これにより、第１の支持台３１０に対してマンドレル５０を保持することができる。取付治具３１８は、図示しない駆動機構により、軸心ＡＸを中心として回転できる。このため、取付治具３１８により支持されるマンドレル５０も、取付治具３１８と共に軸心ＡＸを中心として回転できる。

第２の支持台３１１は、取付治具３１８を支持し、かつ、第１の支持台３１０と共にマンドレル５０を支持する。第２の支持台３１１は、フープ巻き装置１００に対して−Ｘ軸方向側に配置されている点においてのみ第１の支持台３１０と異なる、よって、詳細な説明を省略する。

フープ巻き装置１００は、基台３００の上面に配置されており、マンドレル５０に繊維束をフープ巻きする。フープ巻き装置１００は、フレーム１０２と、巻掛テーブル１０４と、５個のホルダー１０６と、５個のボビン１０７とを備えている。フレーム１０２は、フープ巻き装置１００の各部材を収容する筐体である。フレーム１０２は、図示しない駆動機構により駆動されて、第２のレール３０４上を往復動できる。

巻掛テーブル１０４は、円盤状の外観形状を有し、厚さ方向がＸ軸と平行となるように、フレーム１０２に固定されている。巻掛テーブル１０４の中央には、厚さ方向に貫通する開口１０５が形成されている。開口１０５は、マンドレル５０の通過を許容し、繊維束をマンドレル５０に巻き付ける際にはマンドレル５０が配置される。開口１０５の中心は軸心ＡＸ上に位置し、開口１０５には、取付治具３１８が貫通されている。巻掛テーブル１０４は、開口１０５の近傍に、第１のガイド給糸部１０８と、第２のガイド給糸部１０９とを備えている。第１のガイド給糸部１０８及び第２のガイド給糸部１０９は、それぞれ巻掛テーブル１０４から＋Ｘ軸方向に突出して配置されている。第１のガイド給糸部１０８は、マンドレル５０に対して上方（＋Ｙ軸方向）に位置している。第２のガイド給糸部１０９は、マンドレル５０に対して下方（−Ｙ軸方向）に位置している。第１のガイド給糸部１０８と第２のガイド給糸部１０９とは、マンドレル５０に繊維束を供給する。

５個のホルダー１０６は、開口１０５を囲むように環状に並んで配置されている。各ホルダー１０６は、それぞれ１つのボビン１０７を収容する。ボビン１０７には、ボビン２１１と同様に予め繊維束が巻かれている。各ホルダー１０６は、図示しない駆動機構により回転駆動され、ボビン１０７から第１のガイド給糸部１０８および第２のガイド給糸部１０９に繊維束を供給する。

ヘリカル巻き装置２００は、基台３００の上面に配置されており、マンドレル５０に繊維束をヘリカル巻きする。ヘリカル巻き装置２００は、フレーム２０２と、ガイドリング部としての給糸リング部２０４とを備えている。フレーム２０２は、給糸リング部２０４を収容する筐体である。マンドレル５０は、図示しない駆動機構により駆動されて、給糸リング部２０４の中を往復動できる。

給糸リング部２０４は、厚み方向がＸ軸と平行となる略円柱状の外観形状を有する。給糸リング部２０４の軸は、マンドレル５０の軸心ＡＸと一致する。給糸リング部２０４の中央には、厚み方向に貫通する開口２０６が形成されている。開口２０６内には、マンドレル５０が配置され得る。開口２０６を形成する給糸リング部２０４の内壁には、繊維束をマンドレル５０に供給するための図示しないガイド部が多数配置されている。このガイド部からマンドレル５０に向かって多数の繊維束が繰り出される。なお、ヘリカル巻き装置２００の詳細構成は後述する。

図２は、ヘリカル巻きを説明するための図である。ヘリカル巻きは、繊維束Ｆの巻回軌跡が軸心ＡＸに対して低角度の繊維角αＬＨ（例えば、約１１〜２５°）で交差する。すなわち、ヘリカル巻きを用いた繊維束Ｆは、マンドレル５０の胴体部５０ａの両端に位置するドーム部５０ｂに掛け渡るよう螺旋状に繰り返し巻回される。そして、両側のドーム部５０ｂでは、マンドレル５０の往路・復路の切換に伴って繊維の巻き付け方向が折り返されると共に、軸心ＡＸからの折り返し位置も調整される。ヘリカル巻きを行う際には、マンドレル５０が軸心ＡＸを中心として回転すると共に、軸心ＡＸ方向に沿って開口２０６内を通過するように往復移動する。これにより、ヘリカル巻きによって形成されたヘリカル層が形成される。

図３は、フープ巻きを説明するための図である。フープ巻きは、繊維束Ｆの巻回軌跡が軸心ＡＸに対してほぼ垂直に近い角度（繊維角α０が例えば約８９°）で交差する。このフープ巻きは胴体部５０ａに施される。フープ巻きを行う際には、フープ巻き装置１００が軸心ＡＸ方向に沿って往復動すると共に、マンドレル５０が軸心ＡＸを中心として回転する。これにより、フープ巻きによって形成されたフープ層が形成される。マンドレルの周囲に、フープ層とヘリカル層を複数積層して補強層を形成することで、強度が向上したタンクが製造される。

図４は、ヘリカル巻き装置２００の詳細を説明するための図である。図４は、ヘリカル巻き装置２００の一部を示す斜視図である。ヘリカル巻き装置２００は、可動側ヘリカルユニット２０１Ａと、固定側ヘリカルユニット２０１Ｂとを備える。可動側ヘリカルユニット２０１Ａと固定側ヘリカルユニット２０１Ｂとは、軸心ＡＸ方向（Ｘ軸方向）に沿って並んで配置されている。

可動側ヘリカルユニット２０１Ａは、給糸リング部２０４を構成する第１のガイドリング２０４Ａと、繊維束Ｆをマンドレル５０に供給する複数の第１のガイド部２３６Ａと、を備える。第１のガイドリング２０４Ａは、マンドレル５０を通過させるための開口２０６Ａを有する。この開口２０６Ａは、給糸リング部２０４の開口２０６を構成する。第１のガイドリング２０４Ａは、マンドレル５０の軸心ＡＸを中心としたマンドレル５０の周囲に配置され得る。

複数の第１のガイド部２３６Ａは、軸心ＡＸを中心とした周方向に沿って一定間隔毎に第１のガイドリング２０４Ａに固定されている。例えば、第１のガイド部２３６Ａは、５０〜３００個配置される。第１のガイドリング２０４Ａは、後述する駆動機構によって軸心ＡＸを中心とした周方向に沿って所定範囲内で揺れ動くことが可能である。第１のガイドリング２０４Ａの動きに連動して複数の第１のガイド部２３６Ａも周方向に沿って揺れ動く。

固定側ヘリカルユニット２０１Ｂは、給糸リング部２０４を構成する第２のガイドリング２０４Ｂと、繊維束Ｆをマンドレル５０に供給する複数の第２のガイド部２３６Ｂと、を備える。第２のガイドリング２０４Ｂは、マンドレル５０を通過させるための開口２０６Ｂを有する。この開口２０６Ｂは、給糸リング部２０４の開口２０６を構成する。第２のガイドリング２０４Ｂは、マンドレル５０の軸心ＡＸを中心としたマンドレル５０の周囲に配置され得る。第２のガイドリング２０４Ｂは、軸心ＡＸ方向に沿った方向に第１のガイドリング２０４Ａと並んで配置されている。

複数の第２のガイド部２３６Ｂは、軸心ＡＸを中心とした周方向に沿って一定間隔毎に第２のガイドリング２０４Ｂに固定されている。例えば、第２のガイド部２３６Ｂは５０００〜３００個配置される。本実施形態では、第１のガイド部２３６Ａの個数と第２のガイド部２３６Ｂの個数は同じである。第２のガイドリング２０４Ｂは、第１のガイドリング２０４Ａと異なり周方向の位置が固定されている。すなわち、複数の第２のガイド部２３６Ｂは、周方向の位置が変位することなく固定されている。

ここで、第１のガイド部２３６Ａと第２のガイド部２３６Ｂの繊維束Ｆをマンドレル５０に供給するための構成は同様である。よって、以下に第１と第２のガイド部２３６Ａ，２３６Ｂにおける繊維束Ｆを供給するための構成について、第１のガイド部２３６Ａを用いて説明する。

第１のガイド部２３６Ａは、繊維束Ｆを第１のガイド部２３６Ａに導入するための導入部２３７と、繊維束Ｆをマンドレル５０に向けて供給するための供給部２３８とを有する。導入部２３７から供給部２３８に至る繊維束Ｆの供給経路は直線状である。導入部２３７は筒状である。供給部２３８は、凹形状である。供給部２３８は、凹形状の底部を形成する底面部２３２と、底面部２３２の側面部を形成する第１の側面部２３４及び第２の側面部２３５とを有する。また、供給部２３８の先端には、第１と第２の側面部２３４，２３５とを繋ぐ上面部２３３が形成されている。これにより、供給部２３８の先端開口２３９は枠状を形成する。繊維束Ｆは先端開口２３９を通ってマンドレル５０に供給される。

複数の第１のガイド部２３６Ａのそれぞれの先端開口２３９は、対向するマンドレル５０の胴体部５０ａ（図２）の外表面に対して同じ向きとなるように配置されている。すなわち、各先端開口２３９が軸心ＡＸを通る所定の一点に向かって開口し、かつ、各供給部２３８の中心軸ＡＣを中心とした各供給部２３８の回転位置が全て同じである。言い換えれば、各先端開口２３９を所定の一点を中心として周方向に回転させると全て重なる関係にある。これにより、ヘリカル巻きによって巻き付けられる繊維束同士の重なりを抑制できる。ここで、マンドレル５０に供給された繊維束がすべる等によって繊維束同士が重なると段差や段差に起因する空隙が発生する場合がある。これにより、タンク強度が低下する等のタンク性能が低下する場合がある。しかしながら、本実施形態では、繊維束同士の重なりを抑制できるためタンク性能が低下することを抑制できる。

第１のガイド部２３６Ａと第２のガイド部２３６Ｂとがそれぞれ供給する繊維束Ｆの幅は同じである。また、第１のガイド部２３６Ａが供給する繊維束Ｆ（「第１の繊維束Ｆ１」とも呼ぶ。）の厚さは、第２のガイド部２３６Ｂが供給する繊維束Ｆ（「第２の繊維束Ｆ２」とも呼ぶ）の厚さよりも薄い。例えば、第１の繊維束Ｆ１の厚さは、第２の繊維束Ｆ２の厚さの１／２以下であることが好ましく、１／３以下であることがより好ましい。これにより、第２の繊維束Ｆ２によって第１の繊維束Ｆ１の位置が安定する。なお、第１の繊維束Ｆ１と第２の繊維束Ｆ２の幅は異なっていても良い。ここで、第１の繊維束Ｆ１と第２の繊維束Ｆ２の幅とは、マンドレル５０に巻き付けられた直後の幅をいう。

図５〜図８は、ヘリカル巻き装置２００を説明するための図である。図５〜図８は、ヘリカル巻き装置２００を模式的に図示している。図５は、ヘリカル巻き装置２００の正面図である。図６は、ヘリカル巻き装置２００の側面図である。図７は、図６のＦ６−Ｆ６部分断面図である。図８は、図７のＦ７−Ｆ７断面図である。

図５に示すように、ヘリカル巻き装置２００は、更に、複数のガイドローラ２５０と、補助フレーム２３０と、揺動機構４０と、を備える。ガイドローラ２５０は、第１のガイド部２３６Ａ及び第２のガイド部２３６Ｂに対応して設けられている。ガイドローラ２５０は、クリール装置２１０（図１）のボビン２１１から供給された繊維束Ｆを対応するガイド部（第１のガイド部２３６Ａ又は第２のガイド部２３６Ｂ）に案内する。ガイドローラ２５０は、フレーム２０２及び補助フレーム２３０に固定されている。

補助フレーム２３０は、可動側ヘリカルユニット２０１Ａに設けられている。補助フレーム２３０は、第１のガイドリング２０４Ａを固定する。補助フレーム２３０は円環状であり、中央には開口２０６を形成するための貫通孔が形成されている。なお、第２のガイドリング２０４Ｂはフレーム２０２に固定されている。

図６に示すように、第１のガイド部２３６Ａと第２のガイド部２３６Ｂとは、軸心ＡＸ方向（Ｘ軸方向）にヘリカル巻き装置２００を見たときに、周方向に沿って交互に配置されている。すなわち、隣り合う２つの第１のガイド部２３６Ａの間には、１つの第２のガイド部２３６Ｂが位置する関係を有する。また、揺動機構４０による第１のガイド部２３６Ａの周方向における変位に拘わらず、第１のガイド部２３６Ａと第２のガイド部２３６Ｂとは上記関係を有する。

揺動機構４０は、油圧シリンダ４１と、制御部４９とを備える。油圧シリンダ４１のピストンロッドの端部４３は、補助フレーム２３０に設けられたブラケット４２に連結されている。油圧シリンダ４１のシリンダ側の端部４５は、フレーム２０２の底部に設けられたブラケット４４に連結されている。制御部４９は、油圧シリンダ４１のピストンロッドを伸縮させる。これにより、補助フレーム２３０が周方向Ｒへ揺れ動くことで、第１のガイド部２３６Ａも周方向Ｒへ揺れ動く。

図７に示すように、ヘリカル巻き装置２００は、第１のガイド部２３６Ａの周方向Ｒへの揺れ動く範囲が所定範囲内に制限するための制限機構３０を有する。所定範囲とは、少なくとも周方向における隣り合う第２のガイド部２３６Ｂ（図６）の距離（ピッチ）未満に設定される。すなわち、第１のガイド部２３６Ａが、周方向Ｒにおいて常に隣り合う第２のガイド部２３６Ｂの間に位置するように、制限機構３０によって揺れ動く範囲が制限される。制限機構３０によって、第１のガイド部２３６Ａと第２のガイド部２３６Ｂとが周方向Ｒにおいて重なることを防止できるので、第１のガイド部２３６Ａと第２のガイド部２３６Ｂのそれぞれから供給された繊維束Ｆが重なる可能性を低減できる。

図７に示すように、制限機構３０は、第１制限部としてのボルト３７と、第２制限部としての溝３６と、を備える。ボルト３７と溝３６とによって、第１のガイドリング２０４Ａの周方向Ｒにおける移動範囲（揺れ動く範囲）が所定範囲ＰＲ（図８）に制限される。図６に示すように、ボルト３７及び溝３６は、４個ずつ設けられている。また、本実施形態では、ボルト３７と溝３６とのユニットは、周方向において等間隔で配置されている。

図８に示すように、ボルト３７の一端部は、第２のガイドリング２０４Ｂのうち、周方向に亘って形成されたリング周面３４側から第２のガイドリング２０４Ｂに埋設されている。ボルト３７の他端部は、溝３６内に位置する。

揺動機構４０によって、第１のガイドリング２０４Ａが周方向Ｒに回転する場合、溝３６のうち周方向Ｒにおける側面部にボルト３７が当接することで、第１のガイドリング２０４Ａの周方向Ｒにおける移動範囲が所定範囲ＰＲ内に制限される。

上記のごとく、揺動機構４０によって、第１のガイド部２３６Ａは、図８において時計回りである正回転方向＋Ｒと、反時計回りである逆回転方向−Ｒに回転移動する。この正回転と逆回転による移動は、所定範囲ＰＲで交互に繰り返し実行される。これにより、第１のガイド部２３６Ａは、周方向Ｒに揺れ動く。ここで、揺動機構４０によって第１のガイド部２３６Ａが周方向Ｒに揺れ動く速度は、例えば、所定範囲ＰＲにおける１つの正回転と１つの逆回転との組み合わせの動作回数が１秒間に１回以上行われることが好ましく、２〜３回程度がより好ましい。周方向Ｒに揺れ動く動作回数を多くして、第１のガイド部２３６Ａを振動させることによって、第１の繊維束Ｆ１の幅をより安定して広げることができる。

図９は、タンクの製造方法を説明するフローチャートである。まず、マンドレル５０が繊維巻付装置１０（図１）に取り付けられる（ステップＳ１０：取付工程）。ステップＳ１０の処理では、マンドレル５０が取付治具３１８（図１）によって支持される。次に、軸心ＡＸを中心としてマンドレル５０を回転させつつ、マンドレル５０を繊維巻付装置１０に対して軸心ＡＸ方向に沿って相対的に移動させる（ステップＳ２０：移動工程）。また、ステップＳ２０を実行しつつ、繊維巻付装置１０を用いて所定の順番でヘリカル層とフープ層をマンドレル５０に積層する（ステップＳ３０：巻き付け工程）。例えば、マンドレル５０の表面にフープ層を形成し、フープ層上にヘリカル層を形成し、さらにヘリカル層上にフープ層を形成する。

フープ層を形成する場合は、マンドレル５０が開口１０５（図１）を通過するようにフープ巻き装置１００を軸心ＡＸ方向に沿って往復移動させる。そして、マンドレル５０の胴体部５０ａ（図３）に繊維束Ｆをフープ巻きによって巻き付ける。これにより、フープ層が形成される。

ヘリカル層を形成する場合は、マンドレル５０が開口２０６（図１）を通過するようにマンドレル５０を軸心ＡＸ方向に沿って往復移動させる。そして、揺動機構４０によって第１のガイド部２３６を周方向Ｒに揺れ動かしながら第１のガイド部２３６Ａから繊維束Ｆをマンドレル５０に供給すると共に、第２のガイド部２３６Ｂから繊維束Ｆをマンドレル５０に供給する。これにより、ヘリカル層が形成される。

マンドレル５０上にフープ層とヘリカル層とが積層された後に、繊維巻付装置１０からマンドレル５０を取り外す（ステップＳ４０：取り外し工程）。ステップＳ４０の後に、マンドレル５０を加熱する（ステップＳ５０：加熱工程）。これにより、繊維束Ｆに浸含されていた熱硬化性樹脂を硬化させることで補強層が形成されたタンクが製造される。

図１０は、上記実施形態の効果の一つを説明するための図である。本実施形態のヘリカル巻き装置２００は、マンドレル５０の周囲に第１の繊維束Ｆ１を巻き付ける際に、第１のガイド部２３６Ａが周方向Ｒに揺れ動きながら第１の繊維束Ｆ１をマンドレル５０に供給している。これにより、第１のガイド部２３６Ａによってマンドレル５０に巻き付けられた後の第１の繊維束Ｆ１の幅を図１０の破線で示すように広げることができる。これにより、隣り合う繊維束Ｆ（第１の繊維束Ｆ１と第２の繊維束Ｆ２）間の隙間の発生を低減できる。

また、上記実施形態では、ヘリカル巻き装置２００の第２のガイド部２３６Ｂは周方向Ｒの位置が固定された状態でマンドレル５０に第２の繊維束Ｆ２を巻き付けている。これにより、図１０に示すように、第１のガイド部２３６Ａによって巻き付けられた第１の繊維束Ｆの位置ズレを第２のガイド部によって巻き付けられた第２の繊維束Ｆによって制限できる。これにより、第１のガイド部２３６Ａを用いてマンドレルに巻き付けられた第１の繊維束Ｆ１の位置が安定するので、隣り合う繊維束Ｆ同士が重なることを抑制できる。

更に、マンドレル５０に供給される第１の繊維束Ｆ１の厚さＴａは、マンドレル５０に供給される第２の繊維束Ｆ２の厚さＴｂよりも薄い。これにより、第２のガイド部２３６Ｂを用いて巻き付けられた厚い第２の繊維束Ｆ２間に、第１のガイド部２３６Ａを用いて巻き付けた薄い第１の繊維束Ｆ１を配置できる。これにより、第１のガイド部２３６Ａを用いてマンドレル５０に巻き付けられた繊維束の位置がより一層安定する。すなわち、第１のガイド部２３６Ａが周方向Ｒに揺れ動くことで第１の繊維束Ｆ１の幅が広がった場合でも、広がった第１の繊維束Ｆ１が、隣り合う第２の繊維束Ｆ２上に乗り上がる可能性を低減できる。これにより、隣り合う繊維束Ｆ同士が重なる可能性を更に低減できる。

ここで、ヘリカル巻き装置２００を用いて繊維束Ｆをマンドレル５０に巻き付ける場合、第２の繊維束Ｆ２を巻き付けた後に、第１の繊維束Ｆ１を巻き付けることが好ましい。すなわち、複数の第２のガイド部２３６Ｂ（図５）が位置する側から複数の第１のガイド部２３６Ａが位置する側へとマンドレル５０が移動するときに、ヘリカル巻き装置２００を用いて繊維束Ｆをマンドレル５０に巻き付ける。こうすることで、第２のガイド部２３６Ｂによって第２の繊維束Ｆ２を巻き付けた後に、第１のガイド部２３６Ａによって第１の繊維束Ｆ１を巻き付けることができる。

先に第１の繊維束Ｆ１がマンドレル５０に巻き付けられた場合、第２の繊維束Ｆ２が未だ配置されていない為に、第１の繊維束Ｆ１が過剰に広がる場合がある。この場合、第１の繊維束Ｆ１上に第２の繊維束Ｆ２が巻き付けられる場合がある。しかしながら、先に第２の繊維束Ｆ２を巻き付けた後に、隣り合う第２の繊維束Ｆ２間に第１の繊維束Ｆ１を巻き付けた場合、第１の繊維束Ｆ１が過剰に広がることを抑制できるので第１の繊維束Ｆ１の位置が更に安定する。これにより、隣り合う繊維束同士が重なることを更に抑制できる。

また、第１ガイド部２３６Ａの移動範囲（揺れ動く範囲）は一定であっても良いし、マンドレル５０の形状によって所定範囲ＰＲ内で変化させても良い。例えば、軸心ＡＸ方向と直交するマンドレル５０の径が大きくなるに従い移動範囲を大きくしても良い。例えば、胴体部５０ａ（図２）上に第１の繊維束Ｆ１を供給する場合は、胴体部５０ａ上に第１の繊維束Ｆ１を供給する場合よりも移動範囲を大きくする。一般に、マンドレル５０の径が大きくなる程、巻き付けられた繊維束Ｆ間の隙間が大きくなる。よって移動範囲を大きくすることで第１の繊維束Ｆ１の幅をより広げることができるので、巻き付ける部分の径が変化した場合でも、巻き付ける部分に応じて適切に隣り合う繊維束Ｆ間の隙間を低減できる。移動範囲は、揺動機構４０によって制御しても良い。

Ｂ．変形例：
Ｂ−１．第１変形例：
上記実施形態では、第１と第２のガイド部２３６Ａ、２３６Ｂは先端開口２３９が枠状の部材を用いたが、これに限定されるものではない。例えば、第１と第２のガイド部２３６Ａ，２３６Ｂのうち、繊維束Ｆを案内する部分が筒状で形成されていても良い。

Ｂ−２．第２変形例：
図１０に示すように、第１の繊維束Ｆ１の厚さＴａは、第２の繊維束Ｆ２の厚さＴｂよりも薄いものを使用したがこれに限定されるものではなく、同じ厚さであっても良いし、厚さＴｂが厚さＴａよりも薄くても良い。

Ｂ−３．第３変形例：
上記実施形態では、ヘリカル巻き装置２００は、第１のガイド部２３６Ａの揺れ動く範囲を制限するための制限機構３０（図７）を有していたが、省略しても良い。例えば、制限機構３０に代えて、揺動機構４０の制御部４９が揺れ動く範囲を所定範囲内に制御しても良い。

Ｂ−４．第４変形例：
上記実施形態では、揺動機構４０は、油圧シリンダ４１を用いて第１のガイド部２３６Ａを揺れ動かしていたが、これに限定されるものではなく他のアクチュエータを用いて第１のガイド部２３６Ａを揺れ動かしても良い。

１０…繊維巻付装置
３０…制限機構
３４…リング周面
３６…溝
３７…ボルト
４０…揺動機構
４１…油圧シリンダ
４２…ブラケット
４３…端部
４４…ブラケット
４５…端部
４９…制御部
５０…マンドレル
５０ａ…胴体部
５０ｂ…ドーム部
１００…フープ巻き装置
１０２…フレーム
１０４…巻掛テーブル
１０５…開口
１０６…ホルダー
１０７…ボビン
１０８…第１のガイド給糸部
１０９…第２のガイド給糸部
２００…ヘリカル巻き装置
２０１Ａ…可動側ヘリカルユニット
２０１Ｂ…固定側ヘリカルユニット
２０２…フレーム
２０４…給糸リング部
２０４Ａ…第１のガイドリング
２０４Ｂ…第２のガイドリング
２０６，２０６Ａ，２０６Ｂ…開口
２１０…クリール装置
２１１…ボビン
２１２…給糸ガイド
２３０…補助フレーム
２３２…底面部
２３３…上面部
２３４…第１の側面部
２３５…第２の側面部
２３６…供給部
２３６Ａ…第１のガイド部
２３６Ｂ…第２のガイド部
２３７…導入部
２３８…供給部
２３９…先端開口
２５０…ガイドローラ
３００…基台
３０２…第１のレール
３０４…第２のレール
３１０…第１の支持台
３１１…第２の支持台
３１２…ベース
３１４…支持腕
３１６…チャック
３１８…取付治具
ＡＸ…軸心
Ｆ…繊維束
Ｒ…周方向
Ｆ１…第１の繊維束
Ｆ２…第２の繊維束
ＡＣ…中心軸

Claims (10)

1. マンドレルに繊維束をヘリカル巻きするためのヘリカル巻き装置を用いたタンクの製造方法であって、
   前記ヘリカル巻き装置は、
   前記マンドレルを通過させるための開口を有し、前記マンドレルの軸心を中心とした前記マンドレルの周囲に配置される第１のガイドリングと、
   前記軸心を中心とした周方向に沿って前記第１のガイドリングに配置され、第１の繊維束を前記マンドレルに供給する複数の第１のガイド部と、を有し、
   前記タンクの製造方法は、
   前記マンドレルが前記開口を通過するように、前記第１のガイドリングに対して前記マンドレルを前記軸心に沿った軸心方向に相対的に移動させる移動工程と、
   前記移動工程によって前記マンドレルを相対的に移動させつつ、前記第１のガイド部が、前記周方向に揺れ動きながら前記第１の繊維束を前記マンドレルに供給することで前記マンドレルに前記繊維束を巻き付ける巻き付け工程と、を備える、タンクの製造方法。
2. 請求項１に記載のタンクの製造方法であって、
   前記ヘリカル巻き装置は、さらに、
   前記マンドレルを通過させる開口を有し、前記マンドレルの軸心を中心とした前記マンドレルの周囲であって、前記軸心に沿った方向に前記第１のガイドリングと並んで配置された第２のガイドリングと、
   前記周方向に沿って前記第２のガイドリングに配置され、第２の繊維束を前記マンドレルに供給する複数の第２のガイド部と、を有し、
   前記第１のガイド部と前記第２のガイド部とは、前記軸心方向に見たときに、前記周方向に沿って交互に配置され、
   前記巻き付け工程は、前記第１のガイド部が、前記周方向に揺れ動きながら前記第１の繊維束を前記マンドレルに供給することで前記マンドレルに前記第１の繊維束を巻き付けると共に、前記第２のガイド部が、前記周方向の位置が固定された状態で、前記第２の繊維束を前記マンドレルに供給することで前記マンドレルに前記第２の繊維束を巻き付ける工程を含む、タンクの製造方法。
3. 請求項２に記載のタンクの製造方法であって、
   前記移動工程における前記マンドレルの相対的な移動方向は、前記軸心方向において、前記第２のガイド部が位置する側から前記第１のガイド部が位置する側へと向かう方向である、タンクの製造方法。
4. 請求項２又は請求項３に記載のタンクの製造方法であって、
   前記第１のガイド部が供給する前記第１の繊維束の厚さは、前記第２のガイド部が供給する前記第２の繊維束の厚さよりも薄い、タンクの製造方法。
5. 請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載のタンクの製造方法であって、
   前記第１のガイド部の前記周方向に揺れ動く範囲は、前記マンドレルの径が大きくなるに従い大きくなる、タンクの製造方法。
6. マンドレルに繊維束をヘリカル巻きするためのヘリカル巻き装置であって、
   前記マンドレルを通過させるための開口を有する第１のガイドリングと、
   前記マンドレルの軸心を中心とした周方向に沿って前記第１のガイドリングに配置され、第１の繊維束を前記マンドレルに供給する複数の第１のガイド部と、
   前記第１のガイド部によって前記第１の繊維束を前記マンドレルに供給して、前記第１の繊維束を前記マンドレルに巻き付けている際に、前記第１のガイド部を周方向に揺れ動かす揺動機構と、を備える、ヘリカル巻き装置。
7. 請求項６に記載のヘリカル巻き装置であって、さらに、
   前記マンドレルを通過させるための開口を有し、前記軸心に沿った軸心方向に前記第１のガイドリングと並んで配置された第２のガイドリングと、
   前記周方向に沿って前記第２のガイドリングに配置され、第２の繊維束を前記マンドレルに供給する複数の第２のガイド部と、を有し、
   前記第１のガイド部と前記第２のガイド部とは、前記軸心方向に見たときに、前記周方向に沿って交互に配置され、
   前記第２のガイド部は、前記周方向の位置が固定されている、ヘリカル巻き装置。
8. 請求項７に記載のヘリカル巻き装置であって、
   前記第１のガイド部が供給する前記第１の繊維束の厚さは、前記第２のガイド部が供給する前記第２の繊維束の厚さよりも薄い、ヘリカル巻き装置。
9. 請求項６から請求項８までのいずれか一項に記載のヘリカル巻き装置であって、
   前記揺動機構は、前記マンドレルの径が大きくなるに従い、前記第１のガイド部を前記周方向に揺れ動かす範囲を大きくする、ヘリカル巻き装置。
10. マンドレルに繊維束を巻き付けるためのフィラメントワインディング装置であって、
    請求項６から請求項９までのいずれか一項に記載のヘリカル巻き装置を備える、フィラメントワインディング装置。

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