JP6023115B2

JP6023115B2 - フィラメントワインディング装置

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Publication number: JP6023115B2
Application number: JP2014077415A
Authority: JP
Inventors: 健八田; 谷川　元洋; 元洋谷川; 大五郎中村
Original assignee: Murata Machinery Ltd; Toyota Motor Corp
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Priority date: 2014-04-04
Filing date: 2014-04-04
Publication date: 2016-11-09
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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、高圧ガスタンクの製造方法として、フィラメントワインディング（Filament Winding）法（以下、「ＦＷ法」とも呼ぶ）が知られている。ＦＷ法とは、高圧ガスタンクのコアであるライナーに、予め熱硬化性樹脂を含浸させた繊維（「樹脂含浸繊維」とも呼ぶ）を巻き付け、熱硬化性樹脂を熱硬化させて高圧ガスタンクを製造する方法である。ＦＷ法を用いることにより、ライナーの表層に高強度の繊維強化樹脂層が形成された高圧ガスタンクの形成が可能となる。ＦＷ法による高圧ガスタンクの製造において、樹脂含浸繊維が束ねられた繊維束をライナーに巻回するフィラメントワインディング装置（以下、適宜、「ＦＷ装置」と略称する）が広く用いられている。例えば、特許文献１には、ライナーに対して相対的に移動可能で樹脂含浸繊維を案内するアイクチ案内を有し、ライナーに樹脂含浸繊維を順次巻き付ける巻取部を備えるＦＷ装置が記載されている。このＦＷ装置では、樹脂含浸繊維に適当な張力を与える張力ローラと、樹脂含浸繊維が張力ローラに与える反力を測定する荷重測定器と、を含むアイクチ案内によって、適当な張力が与えられた樹脂含浸繊維を順次ライナーに巻き付けられる。また、アイクチ案内は、引き込まれる複数本の樹脂含浸繊維のそれぞれに対して、繊維の長さ方向および長さ方向に垂直な幅方向に対して張力が加わる太鼓状の拡幅ローラと、拡幅ローラを通過した複数本の樹脂含浸繊維束の間隔を無くすように収束させる鼓状の収束ローラと、収束ローラを通過した複数本の樹脂含浸繊維束をライナーへ案内する揃え口と、から構成されている。

特開２００７−１９０６９７号公報

ここで、上記特許文献１のアイクチ案内では、ライナーに対する相対的な移動等によって、ライナーへ向けて吐出される樹脂含浸繊維の長さ方向および幅方向に加わる適当な張力が変動し不十分となる可能性があった。そして、張力が不十分となった場合、ライナーに巻き付けられる樹脂含浸繊維の緩みや、捩れ、拡幅不足、偏り等の発生によってライナーへの樹脂含浸繊維の安定な巻き付けが不十分となり、高圧ガスタンクの性能低下を招く可能性があった。そのほか、従来のＦＷ装置においては、その小型化や、低コスト化、省資源化、製造の容易化、使い勝手の向上などが望まれていた。

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）本発明の一形態によれば、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が提供される。このフィラメントワインディング装置は、前記ライナーの軸心に沿って相対的に往復動しつつ、前記ライナーの円筒状の外周に沿って回転して、前記ライナーの外表面に前記繊維束をフープ状に巻き付けるフープ巻ユニットを備える。前記フープ巻ユニットは、前記往復動の過程において、前記ライナーの円筒状の外周に沿って回転し、ボビンから供給される前記繊維束を、前記ライナーの外表面に案内するアイクチ案内部を備える。前記アイクチ案内部は、前記繊維束の長手方向に垂直な幅方向に並列に配列された状態で供給される複数の前記繊維束の進行方向を、前記繊維束の幅方向を向くように方向変換させる第１の折り返し部を備える。この形態によれば、第１の折り返し部で、繊維束の進行方向を直前の繊維束の幅方向を向くように方向変換させることによって、装置の大型化を伴うことなく、繊維束の張力が変動して不十分となることを抑制し、繊維束に与える張力を高めることが可能である。

（２）上記形態のフィラメントワインディング装置において、前記アイクチ案内部は、さらに、前記第１の折り返し部で方向変換された後の前記複数の繊維束の進行方向を、前記第１の折り返し部への前記繊維束の進入方向とは逆向きの退出方向を向くように方向変換させる第２の折り返し部を備えるようにしてもよい。この形態によれば、第１の折り返し部で繊維束の進行方向を直前の繊維束の幅方向を向くように方向変換させた後、さらに、第２の折り返し部で第１の折り返し部への繊維束の進入方向とは逆向きの退出方向を向くように方向変換させることによって、装置の大型化を伴うことなく、繊維束の張力が変動して不十分となることを抑制する効果を高め、繊維束に与える張力を高めることが可能である。

（３）上記形態のフィラメントワインディング装置において、前記第１の折り返し部は、前記進入方向と、前記第１の折り返し部から前記第２の折り返し部へ向かう前記繊維束の折り返し方向と、の両方向に対して傾斜した第１のガイド端縁を有し、前記第２の折り返し部は、前記折り返し方向と、前記退出方向と、の両方向に対して傾斜した第２のガイド端縁を有するようにしてもよい。この形態によれば、繊維束の進行方向を、第１のガイド端縁で繊維束を折り返して進入方向から折り返し方向とし、第２のガイド端縁で繊維束を折り返して折り返し方向から退出方向とすることによって、繊維束の張力が変動して不十分となることを抑制する効果を高め、繊維束に与える張力を高めることが可能である。また、第１のガイド端縁および第２のガイド端縁で繊維束を折り返すことにより、繊維束の長手方向に対する張力だけでなく、繊維束の幅方向に対しても十分な張力を加えることができるので、繊維束の拡幅不良を抑制して、繊維束の拡幅を十分に行なうことが可能である。

（４）上記形態のフィラメントワインディング装置において、前記第１のガイド端縁は、半径１００ｍｍ〜半径３００ｍｍのいずれかで湾曲した凹形状を有し、前記第２のガイド端縁は、半径１００ｍｍ〜半径３００ｍｍのいずれかで湾曲した凹形状を有するようにしてもよい。この形態によれば、例えば、並列に供給される複数の繊維束のそれぞれを拡幅させるとともに、各繊維束の間隔が拡がらないように収束させて、ライナーの外表面に案内することにより、繊維束を効率良くライナーに巻き付けることが可能である。

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、アイクチ、アイクチを備えるフープ巻ユニット、フープ巻ユニットを備えるフィラメントワインディング装置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フィラメントワインディング装置を用いて製造される最終製品としての高圧ガスタンクについて中心軸を通る切断面で切断したときの概略断面図である。本発明の一実施形態としてのフィラメントワインディング装置の概略構成を示す説明図である。フープ巻ユニットの要部概略構成を拡大して示す説明図である。図３のアイクチ案内部を含む周辺領域を拡大して示す説明図である。繊維束が巻かれたタンクを示す説明図である。アイクチ案内部の折り返し部を拡大して示す説明図である。比較例としてのアイクチ案内部を示す説明図である。変形例のアイクチ案内部の折り返し部を拡大して示す説明図である。他の変形例のアイクチ案内部の折り返し部を拡大して示す説明図である。

以下で説明する本発明の一実施形態としてのフィラメントワインディング装置（ＦＷ装置）は、最終製品としての高圧ガスタンクを製造する際に使用され、高圧ガスタンクのコアであるライナーに樹脂含浸繊維束を巻き付ける装置である。

図１は、本発明の一実施形態としてのフィラメントワインディング装置を用いて製造される最終製品としての高圧ガスタンク５０について、中心軸ＣＸを通る切断面で切断したときの概略断面図である。本実施形態において、高圧ガスタンク５０は、高圧水素を貯蔵する高圧水素タンクを例とする。

高圧ガスタンク５０は、口金１３を備えるライナー１０と、繊維強化樹脂層２１とを備えている。ライナー１０は、中央部分に形成された略円筒状の胴体部１１と、胴体部１１の両端から連続して形成された略半球状のドーム部１２とを備える。ライナー１０は、高強度のアルミニウム材やステンレス材や、水素に対するガスバリア性を有する樹脂材を用いて形成された容器である。口金１３は、ドーム部１２の先端に設けられており、金属で形成されている。口金１３は、ライナー１０へガスを収容する際の配管としての役割を担う。繊維強化樹脂層２１は、タンクの強度を上げるために設けられている。繊維強化樹脂層２１を構成する繊維は、カーボン繊維に、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂を予め含浸した樹脂含浸繊維である。カーボン繊維の素材としては、例えば、レーヨン系カーボン繊維や、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）系カーボン繊維や、ピッチ系カーボン繊維を用いることができる。

図２は、本発明の一実施形態としてのフィラメントワインディング装置１００の概略構成を示す説明図である。なお、図２には、説明を容易にするために、相互に直交するＸＹＺ軸が図示されている。以降の図についても同様である。

ＦＷ装置１００は、ヘリカル巻ユニット２００と、フープ巻ユニット５００と、制御部６００と、記憶部６１０と、データ取得部４００と、基台３００とを備えている。

制御部６００は、ＦＷ装置１００の各装置を制御するための制御ユニットである。制御部６００は、各装置の制御に使用されるＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭを備える。制御部６００は、ＦＷ装置１００の各装置を制御することにより、所望の位置に、所望の張力で樹脂含浸繊維束をライナー１０に巻き付けることができる。記憶部６１０は、ＦＷ装置１００の各装置を制御するために用いられる種々の制御データを格納する。

ヘリカル巻ユニット２００とフープ巻ユニット５００とは、基台３００に取り付けられている。基台３００は、第１のレール３０２と、第２のレール３０４と、支持台３１０とを備えている。第１のレール３０２は、基台３００の長手方向（Ｘ軸方向）に延伸する一対の溝である。支持台３１０は、図示しない駆動機構を制御部６００が制御することによって、基台３００の長手方向（Ｘ軸方向）に沿って第１のレール３０２上を移動できる。支持台３１０が第１のレール３０２上を移動することにより、ヘリカル巻ユニット２００に対して支持台３１０に支持されたライナー１０が相対的に移動できる。

また、第２のレール３０４は、基台３００の長手方向（Ｘ軸方向）に延伸する一対の溝である。フープ巻ユニット５００は、図示しない駆動機構を制御部６００が制御することによって、基台３００の長手方向（Ｘ軸方向）に沿って第２のレール３０４上を移動できる。

支持台３１０は、ライナー１０を支持する装置である。支持台３１０は、移動台３１２と、支持柱３１４と、チャック３１６と、シャフト３１８と、を備える。チャック３１６は、ライナー１０の口金１３を保持する。シャフト３１８は、チャック３１６と支持柱３１４とを固定する。シャフト３１８は、ライナー１０の中心軸ＣＸを中心として回転させる駆動機構（図示せず）に接続されている。本実施形態において、シャフト３１８の中心軸ＡＸと、ライナー１０の中心軸ＣＸとは一致する。

ヘリカル巻ユニット２００は、ライナー１０に樹脂含浸繊維を繊維束の形態でヘリカル状に巻き付ける装置である。ヘリカル巻とは、ライナー１０の軸線方向に対して所定の角度で胴体部１１および両端のドーム部１２を覆うようにライナー１０に繊維束を巻き付ける巻き方をいう。ライナー１０に繊維束をヘリカル状に巻つけることにより、ライナー１０の軸線方向（Ｘ軸方向）におけるライナー１０の強度を増加させることができる。

ヘリカル巻ユニット２００は、複数のホルダー２０６と、複数のボビン２０８と、テンション部２１０と、棚２１４と、ヘリカル巻ヘッド２１６を備える。図２に示すように、ホルダー２０６は、棚２１４に設けられており、ホルダー２０６には、樹脂含浸繊維の繊維束が巻かれたボビン２０８が備えられている。

棚２１４とヘリカル巻ヘッド２１６との間には、テンション部２１０が設けられており、テンション部２１０は、樹脂含浸繊維の繊維束に所定の張力を付与する。テンション部２１０により所定の張力が付与された樹脂含浸繊維の繊維束は、ヘリカル巻ヘッド２１６を介してライナー１０に巻かれる。なお、本実施形態において、樹脂含浸繊維の繊維束は、ボビン２０８からテンション部２１０を経由してヘリカル巻ヘッド２１６に設置されているが、図の理解を容易とするため、その部分の繊維束は図示していない。

フープ巻ユニット５００は、ライナー１０に樹脂含浸繊維の繊維束をフープ状に巻き付ける装置である。フープ巻とは、ライナー１０の軸線方向に対して略直角の角度で胴体部１１を覆うようにライナー１０に繊維を巻き付ける巻き方をいう。ライナー１０に樹脂含浸繊維の繊維束をフープ状に巻き付けることにより、ライナー１０の径方向（Ｙ軸方向）におけるライナー１０の強度を増加させることができる。

図３は、フープ巻ユニット５００の要部概略構成を拡大して示す説明図である。フープ巻ユニット５００は、フープ巻ヘッド５０２と、複数のホルダー５０４（５０４ａ〜５０４ｄ）と、複数のボビン５０６（５０６ａ〜５０６ｄ）と、複数のガイド部５０８（５０８ａ〜５０８ｄ）と、アイクチ案内部５１０とを備える。なお、以下では、ヘリカル巻ユニット２００側からフープ巻ユニット５００を見た場合を基準して説明する（図２参照）。

フープ巻ヘッド５０２は、駆動機構（図示せず）によってシャフト３１８の中心軸ＡＸに一致する中心軸ＦＸを中心として、図３において反時計回り（左回り）に回転する円筒状の回転部である。複数のホルダー５０４は、フープ巻ヘッド５０２のＸ軸方向を向く円環面５１２上に円環の周に沿って設置されており、複数のガイド部５０８は、各ホルダー５０４に一つを対応させて、円環面５１２上に円環の外周に沿って各ホルダー５０４を囲むように設置されている。

各ホルダー５０４は、Ｘ軸方向に平行な軸心を中心としてボビン５０６を回転可能に固定する装置である。各ホルダー５０４に固定される各ボビン５０６には、樹脂含浸繊維の繊維束２２（２２ａ〜２２ｄ）が巻かれており、各ボビン５０６に巻かれている繊維束２２は各ボビン５０６の回転に応じて各ボビン５０６から繰り出される。

各ガイド部５０８には、各ボビン５０６から繰り出された繊維束２２（２２ａ〜２２ｄ）を円環の外周に沿ってアイクチ案内部５１０へ導くための２つのガイドローラ部５１４（５１４ａ〜５１４ｄ）が、円環の外周に沿って設置されている。

本実施形態では、１つのホルダー５０４およびボビン５０６と１つのガイド部５０８をセットとして、４つのセットがフープ巻ヘッド５０２の円環面５１２上に設けられている。各セットは、それぞれ、フープ巻ヘッド５０２の回転に伴って、中心軸ＦＸを中心として反時計回りに回転する。なお、以下では、各セットの構成要素を区別する場合には、アイクチ案内部５１０から反時計回りのセットおよび構成要素の順に「第１」〜「第４」の接頭語を付し、符号の最後に「ａ」〜「ｄ」を付して区別するものとする。例えば、ボビン５０６は、左下、左上、右上、右下の順で、第１のボビン５０６ａ、第２のボビン５０６ｂ、第３のボビン５０６ｃ、第４のボビン５０６ｄのように呼ぶ。

アイクチ案内部５１０は、後述するターンガイド部５１６が、第１のガイド部５０８ａと第４のガイド部５０８ｄとの間で、円環面５１２側（ヘリカル巻ユニット２００側）に向かって中心軸ＦＸの方向（Ｘ軸方向）に沿って突出するように設けられている。

ここで、第１のボビン５０６ａから繰り出された第１の繊維束２２ａは、第１のガイド部５０８ａに円環の周に沿って配置された２つの第１のガイドローラ部５１４ａを介して第２のガイド部５０８ｂへ導かれる。

第２のボビン５０６ｂから繰り出された第２の繊維束２２ｂも、同様に、第２のガイド部５０８ｂに円環の周に沿って配置された２つの第２のガイドローラ部５１４ｂを介して第３のガイド部５０８ｃへ導かれる。ただし、第２のガイドローラ部５１４ｂは、軸線方向（ｘ軸方向）に沿って２段に重ねられたローラ（図示せず）の構造を有しており、第１のガイド部５０８ａから導かれる第１の繊維束２２ａも第２の繊維束２２ｂに並列して第３のガイド部５０８ｃへ導かれる。

また、第３のボビン５０６ｃから繰り出された第３の繊維束２２ｃも、同様に、第３のガイド部５０８ｃに円環の周に沿って配置された２つの第３のガイドローラ部５１４ｃを介して第４のガイド部５０８ｄの方向へ導かれる。ただし、第３のガイドローラ部５１４ｃは、軸線方向（Ｘ方向）に沿って３段に重ねられたローラ（図示せず）の構造を有しており、第２のガイド部５０８ｂから導かれる第１の繊維束２２ａおよび第２の繊維束２２ｂも第３の繊維束２２ｃに並列して第４のガイド部５０８ｄへ導かれる。

また、第４のボビン５０６ｄに巻かれた第４の繊維束２２ｄは、第４のガイド部５０８ｄに配置された２つの第４のガイドローラ部５１４ｄを介してアイクチ案内部５１０へ導かれる。ただし、第４のガイドローラ部５１４ｄは、軸線方向（Ｘ方向）に沿って４段に重ねられたローラ（図示せず）の構造を有しており、第３のガイド部５０８ｃから導かれる第１〜第３の繊維束２２ａ〜２２ｃも第４の繊維束２２ｄに並列してアイクチ案内部５１０へ導かれる。

以上説明したように、第１〜第４のボビン５０６ａ〜５０６ｄから繰り出された繊維束２２ａ〜２２ｄは、第１〜第４のガイドローラ部５１４ａ〜５１４ｄによってフープ巻ヘッド５０２の円環の周方向（以下、「単に「周方向」と略す」に沿ってアイクチ案内部５１０へ導かれる。

図４は、図３のアイクチ案内部５１０を含む周辺領域を拡大して示す説明図である。ただし、図４は、アイクチ案内部５１０の構成を解りやすくするため、図３の状態からフープ巻ヘッド５０２を反時計回りに９０度回転させた状態で示している。アイクチ案内部５１０は、案内シャフト５１８と、緩み抑制シャフト５２０と、ターンガイド部５１６と、を備えている。第４のガイド部５０８ｄの第４のガイドローラ部５１４ｄから周方向に沿って繰り出された繊維束２２（２２ａ〜２２ｄ）は、案内シャフト５１８および緩み抑制シャフト５２０を介してターンガイド部５１６に導かれ、後述するように、１８０度折り返されて、ライナー１０へ向けて繰り出される。

アイクチ案内部５１０は、フープ巻ヘッド５０２の回転に伴って中心軸ＦＸを中心としてアイクチ案内部５１０が反時計回りに回転する（図３参照）。また、ライナー１０は、支持台３１０に備えられた駆動機構（図示せず）によってアイクチ案内部５１０の回転とは反対の時計回りに回転する。これにより、フープ巻ヘッド５０２の円環面５１２に配置された第１〜第４のボビン５０６ａ〜５０６ｄの繊維束２２ａ〜２２ｄを、アイクチ案内部５１０を介してライナー１０へ並列に案内し、ライナー１０に巻き付けることができる。

また、フープ巻ユニット５００は、図示しない駆動機構を制御部６００が制御することによって、基台３００の長手方向（Ｘ軸方向）に沿って第２のレール３０４上を移動できる。このため、繊維束２２をライナー１０へ巻き付ける位置を調節することができる。

以上説明したように、フープ巻ユニット５００は、ライナー１０の胴体部１１に樹脂含浸繊維の繊維束２２をフープ状に巻き付けることができる。

図５は、ライナー１０に繊維束２２が巻かれたタンク５０を示す説明図である。胴体部１１は、フープ巻ユニット５００によりフープ巻が施されている。これにより、タンク５０の径方向の強度を増加させることができる。胴体部１１およびドーム部１２は、ヘリカル巻ユニット２００によりヘリカル巻が施されている。これにより、タンク５０の中心軸ＣＸ方向の強度を増加させることができる。図５におけるタンク５０は、ヘリカル巻が施された後に、フープ巻が施された外観となっている。しかし、本実施形態において、フープ巻とヘリカル巻との順序は問わない。また、ヘリカル巻およびフープ巻を交互に複数回行なうようにしてもよい。

図６は、アイクチ案内部５１０のターンガイド部５１６を拡大して示す説明図である。ターンガイド部５１６は、Ｘ軸方向が長手方向の略矩形状のガイド穴５３２が設けられたガイド穴板５３０と、ガイド穴板５３０上にＸ軸方向に沿って設けられた第１のガイド板５３４および第２のガイド板５３８と、を備えている。

第１のガイド板５３４には、緩み抑制シャフト５２０からターンガイド部５１６に並列に重なり合わずに供給される繊維束２２（２２ａ〜２２ｄ）の進路上のガイド穴５３２の位置において、ターンガイド部５１６に供給される繊維束の進行方向（以下、「進入方向」とも呼ぶ）に対して、傾斜した第１のガイド端縁５３６が設けられている。第１のガイド端縁５３６は、ターンガイド部５１６に供給される繊維束２２の進行方向（進入方向）に対して反時計回りに４５度傾斜した直線状の基準辺に対して、半径１００ｍｍ〜半径３００ｍｍの範囲のうちの適宜設定した半径で湾曲させた凹形状の辺を有するように形成されている。ガイド穴板５３０のガイド穴５３２及び第１のガイド板５３４の第１のガイド端縁５３６は、第１の傾斜ガイド５２２を構成する。

第２のガイド板５３８には、第１のガイド端縁５３６の位置からＸ軸方向にずれたガイド穴５３２の位置において、ターンガイド部５１６に供給される繊維束２２の進行方向（進入方向（図６の上から下へ向かう方向））に対して第１のガイド端縁５３６とは反対向きに傾斜した第２のガイド端縁５４０が設けられている。第２のガイド端縁５４０は、第１のガイド端縁５３６の基準辺の傾斜とは反対向き、すなわち、ターンガイド部５１６に供給される繊維束２２の進行方向（進入方向）に対して時計回りに４５度傾斜した直線状の基準辺に対して、半径１００ｍｍ〜半径３００ｍｍの範囲のうちの適宜設定した半径で湾曲させた凹形状の辺を有するように形成されている。ガイド穴板５３０のガイド穴５３２及び第２のガイド板５３８の第２のガイド端縁５４０は、第２の傾斜ガイド５２４を構成する。

第１の傾斜ガイド５２２では、緩み抑制シャフト５２０から周方向に沿ってターンガイド部５１６に供給される繊維束２２ａ〜２２ｄが、それぞれ、第１のガイド板５３４の第１のガイド端縁５３６でガイド穴５３２側に約９０度折り返されて、第１のガイド板５３４及び第２のガイド板５３８に沿ってガイド穴５３２をＸ軸方向に移動する。なお、第１のガイド端縁５３６で折り返された繊維束２２ａ〜２２ｄの移動方向を「折り返し方向」と呼ぶこととすると、第１のガイド端縁５３６は、繊維束２２ａ〜２２ｄの進入方向および折り返し方向の両方向に対して傾斜した辺である、と言える。

そして、第１のガイド端縁５３６で繊維束２２ａ〜２２ｄが折り返される際には、繊維束２２ａ〜２２ｄには、それぞれ、繊維束の進行方向（「繊維流れの方向」）だけでなく、これに垂直な繊維束の幅方向に対しても張力が加わる。これにより、繊維束２２ａ〜２２ｄは、第１のガイド端縁５３６での折り返しにより拡幅が行われる。また、第１のガイド端縁５３６の湾曲形状によって、折り返しによる拡幅に伴って発生する繊維束の間隔の拡がりが抑制される。

第２の傾斜ガイド５２４では、第１の傾斜ガイド５２２から第２のガイド板５３８の第２のガイド端縁５４０まで移動したてきた繊維束２２ａ〜２２ｄが、それぞれ、第２のガイド端縁５４０でガイド穴５３２側から反対側に約９０度折り返されて、第１の傾斜ガイド５２２で折り返される前の繊維束の進行方向とは逆方向を向いて移動する。なお、第２のガイド端縁５４０で折り返された繊維束２２ａ〜２２ｄの移動方向を「退出方向」と呼ぶこととすれば、第２のガイド端縁５４０は、繊維束２２ａ〜２２ｄの折り返し方向および退出方向の両方向に対して傾斜した辺である、と言える。

そして、第２のガイド端縁５４０で繊維束２２ａ〜２２ｄが折り返される際にも、同様に、繊維束の幅方向に対して張力が加わって繊維束の拡幅が行われる。また、第２のガイド端縁５４０の湾曲形状によって、折り返しにより発生する繊維束の間隔の拡がりが抑制され、中央で纏まって並列するように収束される。

第２の傾斜ガイド５２４で折り返された繊維束２２ａ〜２２ｄは、進路上のガイド穴板５３０の端部に設けられたライナー案内部５２６で纏められてライナー１０へ向けて繰り出される。

以上説明したように、本実施形態のアイクチ案内部５１０では、供給される繊維束２２ａ〜２２ｄを第１の傾斜ガイド５２２および第２の傾斜ガイド５２４で逆方向へ折り返す構造（「ターンガイド構造」とも呼ぶ）のターンガイド部５１６において、繊維束２２ａ〜２２ｄが折り返される際にそれぞれの拡幅が行われる。従って、第１の傾斜ガイド５２２が第１の折り返し部に相当し、第２の傾斜ガイド５２４が第２の折り返し部に相当する。

ここで、図７は、比較例としてのアイクチ案内部５１０Ｒを示す説明図である。比較例のアイクチ案内部５１０Ｒは、並列する繊維束２２ａ〜２２ｄの進行方向に沿って、１列に並んで順に配置された３つのローラ５４２，５４４，５４６およびライナー案内部５４８を備える。繊維束２２ａ〜２２ｄは、第１のローラ５４２の下側外周、第２のローラ５４４の上側外周、第３のローラ５４６の下側外周にそれぞれ接触し、ライナー案内部５４８を通って吐出され、ライナー（図示せず）へ案内される。第１および第２のローラ５４２，５５４は、繊維束２２ａ〜２２ｄの進行方向に垂直な回転軸方向に沿って中央が凸状に湾曲した太鼓状の拡幅ローラであり、繊維束２２ａ〜２２ｄに加わる進行方向に沿った張力に基づいて発生する張力であって、進行方向に垂直な幅方向に沿った張力によって、繊維束２２ａ〜２２ｄのそれぞれを拡幅させる。第３のローラ５４６は、繊維束２２ａ〜２２ｄの進行方向に垂直な回転軸方向に沿って中央が凹状に湾曲し鼓状の収束ローラであり、繊維束２２ａ〜２２ｄが中央に纏まって並列するように収束させる。

上記比較例のアイクチ案内部５１０Ｒの構造の場合、３つのローラを通過する際に繊維束２２ａ〜２２ｄの進行方向で発生する張力は、ライナーに対して繊維束２２ａ〜２２ｄを巻き付ける際のアイクチ案内部５１０の回転や移動の状態等に依存して変動し易い。このため、ライナーへ巻きつけられる繊維束に緩みや、捩れ、偏り、等が発生する可能性があり、また、繊維束の拡幅のための張力が十分に加わらず、十分に拡幅されない可能性がある。この結果、ライナーへの繊維束の安定した巻き付けが不可となり、製造した高圧ガスタンクの性能向上を図れず、強度や品質、寸法精度の高い高圧ガスタンクの生産が不可となる可能性がある。

一方、本実施形態のアイクチ案内部５１０では、上記したように、ターンガイド部５１６の第１の傾斜ガイド（第１の折り返し部）５２２の第１のガイド端縁５３６および第２の傾斜ガイド（第２の折り返し部）５２４の第２のガイド端縁５４０で、繊維束２２ａ〜２２ｄが折り返される。これにより、第１のガイド端縁５３６および第２のガイド端縁において繊維束２２ａ〜２２ｄに加わる張力の変動を抑制し、ライナー１０へ巻き付けられる繊維束の緩みや、捩れ、偏り、繊維束間のばらつき、等の発生を抑制することが可能となる。また、繊維束の拡幅のための張力を十分に確保することが可能となる。従って、本実施形態のＦＷ装置では、ライナーに対して繊維束をフープ状に安定して巻き付けることが可能となり、製造した高圧ガスタンクの性能向上を図ることができ、強度や品質、寸法精度の高い高圧ガスタンクを生産することが可能となる。

図８は、変形例のアイクチ案内部５１０Ｂのターンガイド部５１６Ｂを拡大して示す説明図である。第１のガイド板５３４および第２のガイド板５３８を、それぞれ、不図示の駆動機構によってＸ軸方向にスライド可能な構造とし、第１のガイド端縁５３６および第２のガイド端縁５４０の位置を調整することにより、繊維束に加わる張力を調整可能とし、繊維束の拡幅量を調整可能としても良い。また、図９は、他の変形例のアイクチ案内部５１０Ｃのターンガイド部５１６Ｃを拡大して示す説明図である。図９に示すように、第１のガイド板５３４および第２のガイド板５３８を、それぞれ、不図示の駆動機構によってそれぞれの回転軸５３４ａおよび回転軸５３８ａを中心として回動可能な構造とし、第１のガイド端縁５３６および第２のガイド端縁５４０の位置を調整することにより、繊維束に加わる張力を調整可能とし、繊維束の拡幅量を調整可能としても良い。また、スライドおよび回転の両方が可能な構造とするようにしてもよい。

なお、樹脂含浸繊維の繊維束は、環境温度によっては張力による拡幅が困難な場合がある。例えば、通常、含浸された樹脂は、温度が低い状態、例えば、常温状態では、粘性が高くなるため、繊維束に加える張力による拡幅が困難となる傾向にある。そこで、ターンガイド部にヒータ等の加熱機構を備える構成とすれば、繊維束の拡幅能力を向上させることが可能である。

また、上記実施形態のフープ巻ユニット５００では、フープ巻ヘッドの円環面上に設けられた４つのホルダー５０４（５０４ａ〜５０４ｄ）に固定された４つのボビン５０６（５０６ａ〜５０６ｄ）から繰り出される繊維束２２（２２ａ〜２２ｄ）をライナー１０にフープ状に巻き付ける場合を例に説明した。しかしながらこれに限定されるものではなく、複数のホルダーに固定された複数のボビンから繰り出される繊維束をライナーにフープ状に巻き付ける場合に適用可能である。また、１つのホルダーに固定されたボビンから繰り出される繊維束をライナーにフープ状に巻き付ける場合にも適用可能である。

本発明は、上述の実施形態や変形例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、変形例中の技術的特徴は、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…ライナー
１１…胴体部
１２…ドーム部
１３…口金
２１…繊維強化樹脂層
２２…繊維束
２２ａ〜２２ｄ…第１〜第４の繊維束
５０Ｐ…タンク
５０…高圧ガスタンク
１００…フィラメントワインディング装置
２００…ヘリカル巻ユニット
２０６…ホルダー
２０８…ボビン
２１０…テンション部
２１４…棚
２１６…ヘリカル巻ヘッド
３００…基台
３０２…第１のレール
３０４…第２のレール
３１０…支持台
３１２…移動台
３１４…支持柱
３１６…チャック
３１８…シャフト
４００…データ取得部
５００…フープ巻ユニット
５０２…フープ巻ヘッド
５０４…ホルダー
５０６…ボビン
５０６ａ〜５０６ｄ…第１〜第４のボビン
５０８…ガイド部
５０８ａ〜５０８ｄ…第１〜第４のガイド部
５１０…アイクチ案内部
５１０Ｂ…アイクチ案内部
５１０Ｃ…アイクチ案内部
５１０Ｒ…アイクチ案内部
５１２…円環面
５１４…ガイドローラ部
５１４ａ〜５１４ｄ…第１〜第４のガイドローラ部
５１６…ターンガイド部
５１６Ｂ…ターンガイド部
５１６Ｃ…ターンガイド部
５１８…案内シャフト
５２０…緩み抑制シャフト
５２２…第１の傾斜ガイド
５２４…第２の傾斜ガイド
５２６…ライナー案内部
５３０…ガイド穴板
５３２…ガイド穴
５３４…第１のガイド板
５３４ａ…回転軸
５３６…第１のガイド端縁
５３８…第２のガイド板
５３８ａ…回転軸
５４０…第２のガイド端縁
５４２…第１のローラ
５４４…第２のローラ
５４６…第３のローラ
５４８…ライナー案内部
６００…制御部
６１０…記憶部
ＣＸ…中心軸
ＡＸ…中心軸
ＦＸ…中心軸

Claims

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って、
前記ライナーの軸心に沿って相対的に往復動しつつ、前記ライナーの円筒状の外周に沿って回転して、前記ライナーの外表面に前記繊維束をフープ状に巻き付けるフープ巻ユニットを備え、
前記フープ巻ユニットは、
前記往復動の過程において、前記ライナーの円筒状の外周に沿って回転し、ボビンから供給される前記繊維束を、前記ライナーの外表面に案内するアイクチ案内部を備え、
前記アイクチ案内部は、前記繊維束の長手方向に垂直な配列方向に並列に配列された状態で供給される複数の前記繊維束の進行方向を方向変換させる第１の折り返し部を備え、
前記第１の折り返し部は、前記複数の繊維束の進行方向を、方向変換される前の前記繊維束の前記配列方向を向くように方向変換させる
ことを特徴とするフィラメントワインディング装置。
請求項１に記載のフィラメントワインディング装置であって、
前記アイクチ案内部は、さらに、
前記第１の折り返し部で方向変換された後の前記複数の繊維束の進行方向を、前記第１の折り返し部への前記繊維束の進入方向とは逆向きの退出方向を向くように方向変換させる第２の折り返し部を備える
ことを特徴とするフィラメントワインディング装置。
請求項２に記載のフィラメントワインディング装置であって、
前記第１の折り返し部は、前記進入方向と、前記第１の折り返し部から前記第２の折り返し部へ向かう前記繊維束の折り返し方向と、の両方向に対して傾斜した第１のガイド端縁を有し、
前記第２の折り返し部は、前記折り返し方向と、前記退出方向と、の両方向に対して傾斜した第２のガイド端縁を有する
ことを特徴とするフィラメントワインディング装置。
請求項３に記載のフィラメントワインディング装置であって、
前記第１のガイド端縁は、半径１００ｍｍ〜半径３００ｍｍのいずれかで湾曲した凹形状を有し、
前記第２のガイド端縁は、半径１００ｍｍ〜半径３００ｍｍのいずれかで湾曲した凹形状を有する
ことを特徴とするフィラメントワインディング装置。