JP6730071B2

JP6730071B2 - フィラメントワインディング装置

Info

Publication number: JP6730071B2
Application number: JP2016085667A
Authority: JP
Inventors: 加藤　圭; 圭加藤; 隆志松浦
Original assignee: JTEKT Corp; Toyota Motor Corp
Current assignee: JTEKT Corp; Toyota Motor Corp
Priority date: 2016-04-22
Filing date: 2016-04-22
Publication date: 2020-07-29
Anticipated expiration: 2036-04-22
Also published as: JP2017193135A

Description

本発明は、フィラメントワインディング装置に関するものである。

一般に、耐圧性等の機械的特性と軽量性とが要求される耐圧容器等の製品、例えば燃料電池車両に用いられる高圧タンクは、フィラメントワインディング装置によって製造される。フィラメントワインディング装置において、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂を含浸させた繊維束がローラによって搬送され、ワークとしてのタンクライナの周囲に巻き付けられる。繊維束がローラによって搬送される際、繊維束の一部がローラの表面と摩擦して削り取られ、毛羽が発生する可能性がある。特許文献１では、繊維束を搬送するローラの表面にコーティングを施して毛羽の発生を抑制するフィラメントワインディング装置が開示されている。

特開２０１４−１８８８３８号公報

従来技術では、繊維束から抜け落ちた毛羽がローラの表面に付着して堆積すると、堆積した毛羽によって繊維束の絡まりや破断が発生してしまう可能性があり、ローラの清掃や破断箇所の復旧に時間がかかってしまうという問題があった。

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、フィラメントワインディング装置が提供される。このワークの周囲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は、前記繊維束をローラ表面に接触させて搬送するローラを含み、前記ワークへの前記繊維束の巻き付けを実行する巻回装置と、前記繊維束から抜け落ちて前記ローラ表面に堆積した前記繊維束の毛羽の堆積量及び堆積速度の少なくとも一方を検出する検出部と、前記巻回装置による前記ワークへの前記繊維束の巻き付けを制御する制御部と、を備える。前記検出部は、変位センサを使用して、前記ローラ表面の表面粗さ又はその増加量を前記毛羽の堆積量又は堆積速度を示す指標として検出する。前記制御部は、前記検出部によって検出された前記毛羽の堆積量及び堆積速度の少なくとも一方が予め定めた判定値を超える場合に、前記巻回装置による前記ワークへの前記繊維束の巻き付けを停止させる。

この形態のフィラメントワインディング装置によれば、毛羽の堆積量及び堆積速度の少なくとも一方が判定値を超える場合に、ワークへの繊維束の巻き付けを停止するので、繊維束の毛羽がローラ表面に付着して過度に堆積することを防止でき、過度に堆積した毛羽による繊維束の絡まりや破断が発生するのを抑制できる。

本発明は、上記以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、フィラメントワインディング方法、繊維束の搬送装置、繊維束の搬送方法等の形態で実現することができる。

フィラメントワインディング装置によって製造されたタンクの概略構成を示す断面図。フィラメントワインディング装置の一例を示す説明図。ローラ表面に毛羽が堆積したローラを示す説明図。

図１は、本発明の一実施形態のフィラメントワインディング装置（以下、「ＦＷ装置」と呼ぶ）によって製造されたタンク１００の概略構成を示す断面図である。このタンク１００は、例えば、燃料電池車両に搭載され、燃料ガスである水素を貯蔵する高圧タンクとして用いられる。なお、ＦＷ装置は、タンク１００の製造に限らず、パイプやゴルフシャフト等の繊維強化プラスチックの成形にも利用される。

タンク１００は、両端に半球状のドーム部を有する略円筒状の形状を有し、ライナ１０を繊維強化樹脂層７０で被覆して構成されている。ライナ１０は、内部中空であり、長手方向の両端に口金２１，２２が配置されている。口金２１，２２は、略円柱状の形状を有し、例えばステンレス鋼やアルミニウムなどの金属で形成される。第１の口金２１は、ライナ１０の内部に導通する貫通孔２３を有しており、回転棒（後述）が挿入可能である。第２の口金２２は、長手方向の両端にそれぞれ有底状の凹部２４，２５を有しており、凹部２４の内周面には雌ねじが設けられている。凹部２４には、回転棒の一端部がねじ込み接続可能であり、凹部２５には、支持棒（後述）が挿入可能である。

繊維強化樹脂層７０は、未硬化の熱硬化性樹脂を含浸させた繊維束をライナ１０の周囲に巻き付けて、加熱して硬化させることによって形成される。繊維束としては、例えば炭素繊維に熱硬化型エポキシ樹脂を含浸させた炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ：carbon-fiber-reinforced plastic）の束を利用することが可能である。

図２は、本発明の一実施形態のＦＷ装置２００を示す説明図である。ＦＷ装置２００は、繊維巻出部２０と、アイクチ案内部３０と、巻付部４０と、検出部５００と、制御部６００とを備える。繊維巻出部２０と、アイクチ案内部３０と、巻付部４０とは、ワーク６０への繊維束７００の巻き付けを実行する巻回装置５０を構成する。なお、図２において、ＦＷ装置２００の加工対象物、すなわち、口金２１，２２が配置されたライナ１０、をワーク６０と呼ぶ。

繊維巻出部２０は、繊維束７００を巻き出す機能を有し、複数のボビン２０１〜２０４と、複数の搬送ローラ２１１〜２１７と、結束ローラ２２０と、テンションローラ２３０と、アクティブダンサ２４０とを備える。ボビン２０１〜２０４は、糸を巻き付ける筒状の部材であり、繊維束７００が巻き付けられている。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から巻き出された繊維束７００を揃えて、テンションローラ２３０に巻き出す。テンションローラ２３０は、所定の圧力になるように設定されたシリンダ２３１を備え、繊維束７００に所定の張力を加える。アクティブダンサ２４０は、ローラ２４１を移動させることによって、繊維束７００の張力を調整する。張力が調整された繊維束７００は、搬送ローラ２１５〜２１７を経由して、アイクチ案内部３０（繊維束ガイド機構）に搬送される。

アイクチ案内部３０は、白抜きの矢印のようにワーク６０の長手方向に沿って移動可能であり、繊維束７００を揃えてワーク６０に案内する。アイクチ案内部３０は、揃え口３００と繊維送出部３２０とを備える。揃え口３００は、繊維束７００を集めて幅方向（図面の裏表方向）に並べて揃える。繊維送出部３２０は、第１のアイクチローラ３３０と、第２のアイクチローラ３４０と、第３のアイクチローラ３５０とを備え、３つのアイクチローラ３３０，３４０，３５０を用いて繊維束７００をワーク６０に搬送する。本実施形態では、繊維束７００は、第１のアイクチローラ３３０側から入り込み、第１のアイクチローラ３３０の上側外周、第２のアイクチローラ３４０の下側外周、及び、第３のアイクチローラ３５０の上側外周にそれぞれ接触してワーク６０に案内される。

巻付部４０は、ワーク６０を回転させることによって、ワーク６０に繊維束７００を巻き付ける。巻付部４０は、回転装置４００と、回転棒４１０と、支持棒４２０とを備える。回転棒４１０の一端部は回転装置４００に固定され、他端部はワーク６０の第１の口金２１の貫通孔２３（図１）を通してワーク６０内部に挿入し、他端部に設けられた雄ねじが第２の口金２２の凹部２４（図１）と螺合することによって第２の口金２２に固定されている。支持棒４２０は、一端部が第２の口金２２の凹部２５（図１）に挿入して、ワーク６０を支持している。回転装置４００が動作すると、回転棒４１０が回転してワーク６０を長手軸周りに回転させることにより、繊維束７００に張力を掛けつつ、ワーク６０に繊維束７００を巻き付ける。これにより、繊維束７００が、ワーク６０の表面に例えばフープ巻きやヘリカル巻きを組み合わせて巻き付けられる。

検出部５００は、繊維束７００から抜け落ちて搬送ローラ２１７のローラ表面に堆積した繊維束７００の毛羽の堆積量及び堆積速度の少なくとも一方を検出する。検出部５００としては、ローラ表面の色又は色変化を検出するカラーセンサや、ローラ表面粗さ又はローラ表面粗さの変化を検出する変位センサ等が使用される。例えば、検出部５００として変位センサが使用される場合は、搬送ローラ２１７にレーザ光ＬＢを照射して搬送ローラ２１７のローラ表面粗さを検出することができる。検出部５００は、これらのローラ表面の色又は色変化、もしくはローラ表面粗さ又はローラ表面粗さの変化を毛羽の堆積量及び堆積速度の少なくとも一方の指標として検出する。例えば、ローラ表面の色を毛羽の堆積量の指標として用いる場合には、ローラ表面の色と毛羽の堆積量との関係を予め求めておき、この関係を参照してローラ表面の色から毛羽の堆積量を決定することができる。ローラ表面粗さを毛羽の堆積量の指標として用いる場合も同様である。なお、検出部５００が監視する対象としては、搬送ローラ２１７に限らず、ローラ表面が繊維束７００と接触する搬送ローラ２１１〜２１６や、結束ローラ２２０、テンションローラ２３０、ローラ２４１及びアイクチローラ３３０，３４０，３５０のうちの１以上のローラも監視対象として適用できる。ただし、検出部５００が監視するローラは、上記ローラのうちで、最も毛羽が堆積しやすいローラとすることが好ましい。また、監視対象とするローラのローラ表面粗さを大きくしたり、曲率を小さくしたりすることによって、毛羽が堆積し易くするようにすることが好ましい。

制御部６００は、巻回装置５０によるワーク６０への繊維束７００の巻き付けを制御する。具体的には、巻回装置５０（繊維巻出部２０、アイクチ案内部３０及び巻付部４０）の停止及び運転を制御する。他に、制御部６００は、繊維送出部３２０の移動や、シリンダ２３１が加える張力に応じて回転装置４００の回転速度を制御するように構成されていてもよい。また、制御部６００は、検出部５００によって検出された毛羽の堆積量及び堆積速度の少なくとも一方の検出値を用いて、その検出値が、予め設定された判定値を超える場合に、巻回装置５０によるワーク６０への繊維束７００の巻き付けを停止させる。この判定値としては、ローラ表面に堆積した毛羽によって繊維束７００の絡まりや破断が発生することのない上限値が経験的又は実験的に設定される。

図３は、検出部５００（図２）に監視されている搬送ローラ２１７の様子を示す説明図である。図３（ａ）は繊維束７００を搬送する前と繊維束７００搬送開始後の搬送ローラ２１７の変化を示す説明図であり、図３（ｂ）は繊維束７００搬送開始後の搬送ローラ２１７の断面図である。図３（ａ）に示すように、搬送ローラ２１７は、支軸２１７ｂと、この支軸２１７ｂに回転自在に支持された円筒状のガイド部２１７ａとによって構成されている。搬送ローラ２１７は、フリーローラであってもよく、強制駆動ローラであってもよい。ＦＷ装置２００（図２）が動作し始めると、搬送ローラ２１７は繊維束７００をガイド部２１７ａの表面（ローラ表面）に接触させて、摩擦力によって繊維束７００を搬送する。この際、繊維束７００の一部が搬送ローラ２１７の表面と摩擦して削り取られ、毛羽Ｆが発生して、図３（ｂ）のように搬送ローラ２１７の表面に堆積する。こうすると、搬送ローラ２１７のローラ表面粗さが増加する。検出部５００としての変位センサは、搬送ローラ２１７のローラ表面粗さを、毛羽Ｆの堆積量を示す指標として検出することができる。また、検出部５００は、一定時間毎の搬送ローラ２１７のローラ表面粗さの増加量を、毛羽Ｆの堆積速度を示す指標として検出することができる。毛羽Ｆの堆積量及び堆積速度の少なくとも一方の検出値が所定の判定値を超えると、制御部６００は直ちに巻回装置５０（図２）の動作を停止させることによって、ワーク６０（図２）への繊維束７００の巻き付けを停止させる。

以上のように、上記実施形態では、検出部５００によって検出された毛羽Ｆの堆積量及び堆積速度の少なくとも一方が所定の判定値を超える場合に、制御部６００はワーク６０への繊維束７００の巻き付けを停止させるので、毛羽Ｆが搬送ローラ２１７の表面に付着して過度に堆積することを防止でき、過度に堆積した毛羽Ｆによる繊維束７００の絡まりや破断が発生するのを抑制できる。

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
２０…繊維巻出部
２１，２２…口金
２３…貫通孔
２４，２５…凹部
３０…アイクチ案内部
４０…巻付部
５０…巻回装置
６０…ワーク
７０…繊維強化樹脂層
１００…タンク
２００…ＦＷ装置
２０１〜２０４…ボビン
２１１〜２１７…搬送ローラ
２１７ａ…ガイド部
２１７ｂ…支軸
２２０…結束ローラ
２３０…テンションローラ
２３１…シリンダ
２４０…アクティブダンサ
２４１…ローラ
３００…揃え口
３２０…繊維送出部
３３０，３４０，３５０…アイクチローラ
４００…回転装置
４１０…回転棒
４２０…支持棒
５００…検出部
６００…制御部
７００…繊維束
Ｆ…毛羽
ＬＢ…レーザ光

Claims

ワークの周囲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、
前記繊維束をローラ表面に接触させて搬送するローラを含み、前記ワークへの前記繊維束の巻き付けを実行する巻回装置と、
前記繊維束から抜け落ちて前記ローラ表面に堆積した前記繊維束の毛羽の堆積量及び堆積速度の少なくとも一方を検出する検出部と、
前記巻回装置による前記ワークへの前記繊維束の巻き付けを制御する制御部と、
を備え、
前記検出部は、変位センサを使用して、前記ローラ表面の表面粗さ又はその増加量を前記毛羽の堆積量又は堆積速度を示す指標として検出し、
前記制御部は、前記検出部によって検出された前記毛羽の堆積量及び堆積速度の少なくとも一方が予め定めた判定値を超える場合に、前記巻回装置による前記ワークへの前記繊維束の巻き付けを停止させる、
フィラメントワインディング装置。