JP6361551B2 - フィラメントワインディング装置 - Google Patents

Description

本発明は、フィラメントワインディング装置に関する。

従来から、高圧タンクの製造時にタンクのライナーに複数の繊維を束ねた樹脂含浸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知られている（特許文献１）。フィラメントワインディング装置は、ライナーの外表面に繊維束をガイドするガイドローラを有するガイド機構を備える。

特開２０１１−９３２７６号公報

ライナー上に巻き付けられる繊維束の位置は、高圧タンクの強度や寸法等が所定の条件を満たすように設計上決められている。そのため、特許文献１に記載されたフィラメントワインディング装置は、ライナー上における繊維束の位置が設計通りになるようにガイド機構を移動させつつ繊維束を巻き付けている。上記ガイド機構は、ガイドローラ上の所定の範囲内で繊維束がガイドされている場合に、ライナー上における繊維束の位置が設計通りになるように定めたプログラムに基づいて移動しつつ繊維束を巻き付けている。しかし、特許文献１に記載されたフィラメントワインディング装置では、ガイド機構のガイドローラは、回転が固定されている、もしくは、繊維束と供回りするように解放されているので、繊維束がガイドローラ上の所定の範囲内から外れたとしても、繊維束を所定の範囲内へ移動させることができない。そのため、繊維束の巻回時にガイドローラ上の繊維束の位置が所定の範囲内から外れる場合に、繊維束の位置を所定の範囲内へ留めることが困難であった。

本発明は、上述の課題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。
本発明は、繊維束を供給する繊維巻出機構と；前記繊維巻出機構から供給される繊維束をライナーの外表面にガイドするガイドローラ及び該ガイドローラを回転させる駆動部を有するガイド機構と；前記駆動部を制御する制御部と、を備え；前記ガイドローラは、その中央部から回転軸方向の両外側へ向かって径が大きくなるように形成され；前記ガイドローラは、回転しないように固定された状態と、繊維束に摩擦力を付与するように前記駆動部により回転される状態と、を切り替え可能な、フィラメントワインディング装置であって；前記制御部は、前記ガイドローラ上における前記繊維束の位置が前記ガイドローラの中央付近の所定の範囲内にある場合に、前記ガイドローラを前記繊維束が搬送される方向へ回転させるように前記駆動部を制御し；前記ガイドローラ上における前記繊維束の位置が前記所定の範囲内から外れる場合に、前記ガイドローラを前記繊維束が搬送される方向と逆方向へ回転させるように前記駆動部を制御して、前記ガイドローラ上における前記繊維束の位置を前記ガイドローラの中央側へ移動させることを特徴とする。
このようなフィラメントワインディング装置であれば、ガイドローラ上の繊維束の位置が所定の範囲内から外れる場合に、ガイドローラの中央からガイドローラの軸方向外側に向かって径が大きくなるガイドローラを繊維束が搬送される方向と逆方向へ回転させることで、繊維束に対してガイドローラの中央の方向への力を働かせる。そのため、ガイドローラ上の繊維束の位置が所定の範囲内から外れることを抑制できる。
その他、本発明は、以下の形態としても実現することが可能である。

（１）本発明は、繊維束を供給する繊維巻出機構と；前記繊維巻出機構から供給される繊維束をライナーの外表面にガイドするガイドローラ及び該ガイドローラを回転させる駆動部を有するガイド機構と；前記駆動部を制御する制御部と、を備え；前記ガイドローラは、その中央部から回転軸方向の両外側へ向かって径が大きくなるように形成され；前記ガイドローラは、回転しないように固定された状態と、繊維束に摩擦力を付与するように前記駆動部により回転される状態と、を切り替え可能な、フィラメントワインディング装置であって；前記制御部は、前記ガイドローラ上における前記繊維束の位置が前記ガイドローラの中央付近の所定の範囲内から外れる場合に、前記ガイドローラを前記繊維束が搬送される方向と逆方向へ回転させるように前記駆動部を制御して、前記ガイドローラ上における前記繊維束の位置を前記ガイドローラの中央側へ移動させることを特徴とする。このようなフィラメントワインディング装置であれば、ガイドローラ上の繊維束の位置が所定の範囲内から外れる場合に、ガイドローラの中央からガイドローラの軸方向外側に向かって径が大きくなるガイドローラを繊維束が搬送される方向と逆方向へ回転させることで、繊維束に対してガイドローラの中央の方向への力を働かせる。そのため、ガイドローラ上の繊維束の位置が所定の範囲内から外れることを抑制できる。

本発明の一実施形態におけるフィラメントワインディング装置の説明図である。 本発明の一実施形態におけるガイド機構を側面視した断面図である。 本発明の一実施形態におけるガイド機構の構成を示す平面図である。 本発明の一実施形態における分割ローラの中心軸を含んだ平面で分割ローラを切断した断面図である。

図１に示すように、フィラメントワインディング装置１０は、繊維巻出機構２０と、樹脂含浸機構３０と、ガイド機構４０と、ライナー回転装置５０と、制御部６０と、を備える。

繊維巻出機構２０は、繊維束を巻きだす機構であり、複数のボビン２０１〜２０４と、複数の搬送ローラ２１１〜２１４と、結束ローラ２２０と、を有する。ボビン２０１〜２０４は、糸を巻き付ける筒状の部材であり、カーボン繊維束７００が巻き付けられている。カーボン繊維束７００としては、例えば、ポリアクリルニトリルの原糸を約３，０００℃で焼成した糸を約２４，０００本程度撚って集め、バインダ樹脂によって軽く接着させた、厚さ約２００μｍ、幅４ｍｍから５ｍｍ程度の扁平なシートを例示することができる。搬送ローラ２１１〜２１４は、各ボビン２０１〜２０４に対応して設けられており、ボビン２０１〜２０４から巻き出されたカーボン繊維束７００を結束ローラ２２０に搬送する。結束ローラ２２０は、ボビン２０１〜２０４から巻き出された複数のカーボン繊維束７００をそろえて、樹脂含浸機構３０へ搬送する。

樹脂含浸機構３０は、カーボン繊維束７００に対してエポキシ樹脂の含浸を行う機構であり、複数の搬送ローラ３０１〜３０５と、樹脂含浸槽３１０と、を有する。搬送ローラ３０１〜３０５は、カーボン繊維束７００をガイド機構４０へ搬送する。樹脂含浸槽３１０には、４０℃から５０℃の範囲で加熱され、粘度管理が行われている液体状の熱硬化型エポキシ樹脂が収容されている。カーボン繊維束７００は、搬送ローラ３０２の下部を搬送されることにより、樹脂含浸槽３１０の熱硬化型エポキシ樹脂に浸される。ここでは、熱硬化型エポキシ樹脂に含浸されたカーボン繊維束７００を「樹脂含浸カーボン繊維束７１０」とも呼ぶ。

ガイド機構４０は、樹脂含浸カーボン繊維束７１０を揃えてライナー７０の外表面にガイドする機構である。ガイド機構４０は、第１ガイドローラ４１０と、第２ガイドローラ４２０と、第３ガイドローラ４３０と、を有しており、第１ガイドローラ４１０、第２ガイドローラ４２０、第３ガイドローラ４３０を用いて樹脂含浸カーボン繊維束７１０をライナー７０に搬送する。第１ガイドローラ４１０、第２ガイドローラ４２０は、搬送される樹脂含浸カーボン繊維束７１０との接触によって自身は回転しないように構成されている。第３ガイドローラ４３０は、後述するように２つの分割ローラから構成されており、２つの分割ローラはそれぞれ独立に回転が可能であり、駆動モータはそれぞれの分割ローラを回転できるようにプーリー等を介して繋がれている。また、ガイド機構４０は、後述する制御部６０によって予めプログラムされた動作に基づいて、移動しながらライナー７０の外表面に樹脂含浸カーボン繊維束７１０をガイドする。

ライナー回転装置５０は、巻き付け対象であるライナー７０を回転させることにより、樹脂含浸カーボン繊維束７１０に張力を掛けつつ、ライナー７０に樹脂含浸カーボン繊維束７１０を巻き付ける。ライナー７０は、タンクの内径に対応する筒であり、例えば、硬質プラスチックで構成されている。ライナー７０は、長軸が回転可能に支持され、ライナー回転装置５０によって長軸周りに回転される。ガイド機構４０からガイドされた樹脂含浸カーボン繊維束７１０は、その端部がライナー７０の図示しない巻始め部に固定され、ライナー７０の回転によって、ライナー７０の外周に巻き取られる。製品の形状が形作られると、その後硬化処理が行われ、エポキシ樹脂が硬化して、繊維強化された高圧タンクが成形される。

制御部６０は、ＣＰＵと、ＲＡＭと、ＲＯＭと、を備えるコンピュータであり、ＲＯＭに記憶された予め定めたプログラムをＲＡＭに展開して、展開されたプログラムをＣＰＵが演算して実行する。制御部６０は、樹脂含浸槽３１０の加熱部材と、ガイド機構４０の駆動モーターと、ライナー回転装置５０と、を制御する。制御部６０は、樹脂含浸カーボン繊維束７１０の第３ガイドローラ４３０上の位置が所定の範囲内となるように、予めプログラムされた動作に基づいて樹脂含浸カーボン繊維束７１０が第３ガイドローラ４３０の軸方向のどちらに外れるか予め計算して第３ガイドローラ４３０の分割ローラの回転の制御を行う。また、制御部６０は、予め定めたプログラムに基づいて、ガイド機構４０を移動させつつライナー上に繊維束をガイドするように制御する。また、制御部６０は、予め定めたプログラムに基づいて、ライナー回転装置５０のライナー７０の回転速度を制御する。また、制御部６０は、樹脂含浸槽３１０の槽内に配置された図示しない加熱手段を制御して、液体状の熱硬化型エポキシ樹脂を４０℃から５０℃の範囲に加熱している。

図２はガイド機構４０を側面視した断面図である。図２に示すように、樹脂含浸カーボン繊維束７１０は、第１ガイドローラ４１０側から入り込み、第１ガイドローラ４１０の上側外周、第２ガイドローラ４２０の下側外周、および、第３ガイドローラ４３０の上側外周にそれぞれ接触してライナー７０にガイドされる。このように、樹脂含浸カーボン繊維束７１０は、第１ガイドローラ４１０、第２ガイドローラ４２０、第３ガイドローラ４３０の外周を上下交互に接触してガイドされて、ライナー７０によって巻き取られる。そのため、第１ガイドローラ４１０、第２ガイドローラ４２０、第３ガイドローラ４３０との間や第３ガイドローラ４３０とライナー７０との間において、樹脂含浸カーボン繊維束７１０には適当な張力が生じている。

図３は、ガイド機構４０の構成を示す平面図である。本実施形態では、第１ガイドローラ４１０および第２ガイドローラ４２０は、軸方向の中央部の直径が端部の直径よりも大きい太鼓型ローラである。第１ガイドローラ４１０および第２ガイドローラ４２０は、樹脂含浸カーボン繊維束７１０中の繊維を拡げる。第３ガイドローラ４３０は、軸方向の中央部の直径が端部の直径よりも小さい鼓型ローラである。第３ガイドローラ４３０は、第１ガイドローラ４１０および第２ガイドローラ４２０で拡げられた樹脂含浸カーボン繊維束７１０を隣接する樹脂含浸カーボン繊維束７１０との間隔を狭めて搬送する。図４は、第３ガイドローラ４３０の中心軸を含む平面で第３ガイドローラ４３０を切断した断面図である。第３ガイドローラ４３０は、図４に示すように軸方向に並んだ第１分割ローラ４３１と第２分割ローラ４３２とを係合して形成されている。第１分割ローラ４３１は、第２分割ローラ４３２と係合する部分において、第２分割ローラ４３２の係合する部分より小さい直径の円柱形状となっている。第２分割ローラ４３２は、第１分割ローラ４３１と係合する部分において、第１分割ローラ４３１の係合部分の円柱と係合可能なように円柱状の凹部を有している。

ガイドローラを支持するフレーム４６０は、複数の板状部材（第１板状部材４６１、第２板状部材４６２、第３板状部材４６３）からなり、上方から見たときに、複数の板状部材が長方形の各辺となるように形成されている。フレーム４６０は、第１ガイドローラ４１０、第２ガイドローラ４２０、第３ガイドローラ４３０を囲うように配置され、第１板状部材４６１と第２板状部材４６２がそれぞれのガイドローラを支持する。第１板状部材４６１と第２板状部材４６２には、それぞれ、ガイドローラと反対側の面に駆動モータと、駆動軸と、駆動プーリーと、ベルトと、被駆動プーリーと、被駆動軸と、が配置されている。

第１板状部材４６１には、ガイドローラとは反対の面に第１駆動モータ４４１が配置されている。第１駆動モータ４４１は、第１駆動モータ４４１から第１板状部材４６１へ伸びる第１駆動軸４４２を有する。第１駆動軸４４２には第１駆動プーリー４４３が挿入されており、第１駆動軸４４２が回転することにより第１駆動プーリー４４３が回転する。第１分割ローラ４３１には、第１分割ローラ４３１の中心軸と一致するように第１被駆動軸４４６が連結されており、第１被駆動軸４４６が回転することにより、第１分割ローラ４３１は回転する。第１被駆動軸４４６には、第１被駆動プーリー４４５が挿入されており、第１被駆動プーリー４４５が回転することにより第１被駆動軸４４６が回転する。第１駆動プーリー４４３と第１被駆動プーリー４４５は、第１ベルト４４４によって連結されており、第１駆動プーリー４４３が回転することにより第１被駆動プーリー４４５が回転する。つまり、第１駆動モータ４４１が回転することにより、第１分割ローラ４３１を回転させることができる。第２板状部材４６２も同様に第２駆動モータ４５１、第２駆動軸４５２、第２駆動プーリー４５３、第２ベルト４５４、第２被駆動プーリー４５５、第２被駆動軸４５６が配置されており、第２駆動モータ４５１が回転することにより、第２分割ローラ４３２を回転させることができる。

ここで、第１分割ローラ４３１および第２分割ローラ４３２の制御について説明する。制御部６０は、予め定めたプログラムに基づいてガイド機構４０を移動させつつ、樹脂含浸カーボン繊維束７１０をライナー７０上にガイドする。制御部６０は、第３ガイドローラ４３０上の繊維束の位置が、第３ガイドローラ４３０の中央付近に位置する所定の範囲にある場合、第３ガイドローラ４３０の回転を固定する、もしくは、第３ガイドローラ４３０を樹脂含浸カーボン繊維束７１０の搬送方向と同じ方向に回転するように第１駆動モータ４４１、第２駆動モータ４５１を制御する。一方、ガイド機構４０の移動によって、樹脂含浸カーボン繊維束７１０の第３ガイドローラ４３０上の位置が所定の範囲からずれる場合がある。このガイド機構４０の移動による樹脂含浸カーボン繊維束７１０のずれは、ガイド機構４０の移動する方向や移動速度によって予想可能なものである。そのため、制御部６０は、予想されるガイド機構４０の移動による樹脂含浸カーボン繊維束７１０のずれに基づいて、樹脂含浸カーボン繊維束７１０が第３ガイドローラ４３０上の所定の範囲内となるように第１駆動モータ４４１および第２駆動モータを制御して、第１分割ローラ４３１と第２分割ローラ４３２を回転させる。例えば、樹脂含浸カーボン繊維束７１０が第１分割ローラ４３１の方向に外れるような場合には、制御部６０は、第１分割ローラ４３１を樹脂含浸カーボン繊維束７１０が搬送される方向と逆方向へ回転させるように第１駆動モータ４４１を制御する。樹脂含浸カーボン繊維束７１０と第１分割ローラ４３１とは接触しているため、第１分割ローラ４３１から樹脂含浸カーボン繊維束７１０に対して樹脂含浸カーボン繊維束７１０の搬送方向とは逆方向の力が働く。ここで、接触している部分の第３ガイドローラ４３０の直径が大きいほど樹脂含浸カーボン繊維束７１０に張力が大きく働くため、第３ガイドローラ４３０から受ける樹脂含浸カーボン繊維束７１０の搬送方向とは逆方向の力が大きくなる。ここで、樹脂含浸カーボン繊維束７１０は樹脂含浸カーボン繊維束７１０の搬送方向とは逆方向の力が小さいほうへ移動する力が働くため、複数の繊維で構成される樹脂含浸カーボン繊維束７１０は、第１分割ローラ４３１の直径の大きいほうから直径の小さいほうへと移動する力が働く。つまり、樹脂含浸カーボン繊維束７１０は、第３ガイドローラ４３０の端部から第３ガイドローラ４３０の中央へと移動する力が働く。これにより、樹脂含浸カーボン繊維束７１０の第３ガイドローラ４３０上の位置が所定の範囲内から外れる場合に、樹脂含浸カーボン繊維束７１０の第３ガイドローラ４３０上の位置が所定の範囲内から外れることを抑制できる。

さらに、樹脂含浸カーボン繊維束７１０が所定の範囲内から第１分割ローラ４３１の方向に外れるような場合に、樹脂含浸カーボン繊維束７１０と接触する第２分割ローラ４３１の表面が樹脂含浸カーボン繊維束７１０の搬送方向に対して同じ方向へ移動するように第２分割ローラを回転させる。これにより、樹脂含浸カーボン繊維束７１０は、第１分割ローラ４３１とは反対側に位置する第２分割ローラ４３２の直径が大きい方向へ移動する力が働く。そのため、樹脂含浸カーボン繊維束７１０が所定の範囲内から外れることをより抑制できる。

＜変形例１>
制御部６０は、第３ガイドローラ上の樹脂含浸カーボン繊維束７１０の位置を検出して、第１分割ローラ４３１および第２分割ローラ４３２の回転を制御しても良い。このような形態であれば、第３ガイドローラ上の樹脂含浸カーボン繊維束７１０が所定の範囲のどちら側に外れたかを判別して、第１分割ローラ４３１および第２分割ローラ４３２を制御できるので、より正確に樹脂含浸カーボン繊維束７１０が所定の範囲内から外れることを抑制できる。

＜変形例２＞
上記実施形態では、第３ガイドローラ４３０は、２つの分割ローラから構成されていたが、これに限られない。第３ガイドローラ４３０は、３つ以上の分割ローラから構成されても良いし、分割されていないローラであってもよい。

本発明は、上述の実施形態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あるいは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…フィラメントワインディング装置
２０…繊維巻出機構
３０…樹脂含浸機構
４０…ガイド機構
５０…ライナー回転装置
６０…制御部
７０…ライナー
２０１、２０２、２０３、２０４…ボビン
２１１、２１２、２１３、２１４…搬送ローラ
２２０…結束ローラ
３０１、３０２、３０３、３０４、３０５…搬送ローラ
３１０…樹脂含浸槽
４１０…第１ガイドローラ
４２０…第２ガイドローラ
４３０…第３ガイドローラ
４４１…第１駆動モータ
４４２…第１駆動軸
４４３…第１駆動プーリー
４４４…第１ベルト
４４５…第１被駆動プーリー
４４６…第１被駆動軸
４５１…第２駆動モータ
４５２…第２駆動軸
４５３…第２駆動プーリー
４５４…第２ベルト
４５５…第２被駆動プーリー
４５６…第２被駆動軸
４６０…フレーム
４６１…第１板状部材
４６２…第２板状部材
４６３…第３板状部材
７００…カーボン繊維束
７１０…樹脂含浸カーボン繊維束

Claims (1)

1. 繊維束を供給する繊維巻出機構と、
   前記繊維巻出機構から供給される繊維束をライナーの外表面にガイドするガイドローラ及び該ガイドローラを回転させる駆動部を有するガイド機構と、
   前記駆動部を制御する制御部と、を備え、
   前記ガイドローラは、その中央部から回転軸方向の両外側へ向かって径が大きくなるように形成され、
   前記ガイドローラは、回転しないように固定された状態と、繊維束に摩擦力を付与するように前記駆動部により回転される状態と、を切り替え可能な、フィラメントワインディング装置であって、
   前記制御部は、
   前記ガイドローラ上における前記繊維束の位置が前記ガイドローラの中央付近の所定の範囲内にある場合に、前記ガイドローラを前記繊維束が搬送される方向へ回転させるように前記駆動部を制御し、
   前記ガイドローラ上における前記繊維束の位置が前記所定の範囲内から外れる場合に、前記ガイドローラを前記繊維束が搬送される方向と逆方向へ回転させるように前記駆動部を制御して、前記ガイドローラ上における前記繊維束の位置を前記ガイドローラの中央側へ移動させる
   ことを特徴とするフィラメントワインディング装置。