JP6870752B2 - フィラメントワインディング装置 - Google Patents

Description

本発明は、繊維束をライナーに巻き付けるフィラメントワインディング装置に関する。

特許文献１には、樹脂が含浸された複数の炭素繊維束をマンドレルに巻き付けるフィラメントワインディング装置が開示されている。フィラメントワインディング装置は、マンドレルを回転可能且つマンドレルの軸方向（水平方向）に移動可能に支持するマンドレル支持台と、マンドレルに複数の繊維束をヘリカル巻きするヘリカル巻き装置と、を備える。複数の繊維束の先端部がマンドレルに固定された状態で、マンドレル支持台がマンドレルを回転させながら軸方向に移動させると、複数の繊維束が、ヘリカル巻き装置から引き出されて所定の巻き付け角度でマンドレルにヘリカル巻きされる。回転しながら移動するマンドレルに繊維束が巻き付けられることで、繊維束には所定のテンションが付与される。筒状のマンドレルに繊維束を巻き付けることで製造されるカーボンロールは、軽量、高強度、高剛性等の特性を有するため、多分野において利用されている。

特開２０１３−７８９５９号公報

近年、例えば高弾性のピッチ系炭素繊維束を用いて、繊維束の層を以下のように形成することで、従来よりもさらに高剛性のカーボンロールが得られることが、本願発明者らにより知見された。すなわち、繊維束がマンドレルの軸方向に略平行に貼り付けられた０度配向層と、マンドレルの軸方向に対して一方側に傾けて巻き付けられた＋θ配向層と、上記軸方向に対して他方側に傾けて巻き付けられた−θ配向層と、を形成すると良いことが知見された。このようなカーボンロールは、高剛性のため固有振動数が高く、高速で回転しても振動が抑制されやすいので、高速回転用の部材として、フィルム製造機械や印刷機械等の産業機械の巻き付けロール、及び、自動車のプロペラシャフト等に好適に利用されうる。

ここで、特許文献１に記載のフィラメントワインディング装置を用いて０度配向層を形成するためには、マンドレルを回転させずに軸方向に移動させながら、樹脂が含浸された繊維束をヘリカル巻き装置から引き出してマンドレルに貼り付ける必要がある。しかしながら、マンドレルを回転させずに移動のみさせると、マンドレルに繊維束が巻き付けられないので、繊維束に付与されるテンションが弱くなる。このため、繊維束が自重でたるみ、繊維束の配置が乱れやすくなる。また、マンドレルの側部や底部等に貼り付けられる繊維束を目標位置に貼り付けることが難しく、０度配向層の形成が困難であるという問題点がある。

本発明の目的は、マンドレルの軸方向に沿って繊維束をマンドレルに貼り付ける際に、繊維束の配向の安定性を向上させることである。

第１の発明のフィラメントワインディング装置は、樹脂が含浸された複数の繊維束が巻き付けられるマンドレルを支持可能であり、且つ、マンドレルの軸方向に移動可能な支持ユニットと、前記マンドレルの周方向において放射状に配列され、且つ、前記複数の繊維束を前記マンドレルへそれぞれ案内する複数の繊維束ガイド部を有し、前記複数の繊維束ガイド部を経由して前記複数の繊維束を前記マンドレルに供給するヘリカルユニットと、を備え、前記複数の繊維束ガイド部のそれぞれは、前記マンドレルに供給されている前記繊維束を、前記軸方向に移動している前記マンドレルの周面に押し付ける押付ローラを有し、前記押付ローラは、前記軸方向と直交するローラ軸方向に延びるローラ軸を回転中心として、前記マンドレルの周面に接触して従動回転可能であることを特徴とするものである。

本発明では、繊維束が、繊維束ガイド部の押付ローラによってマンドレルの周面に押し付けられることで、樹脂の粘性によってマンドレルに貼り付けられる。これにより、マンドレルが回転しておらず繊維束に付与されるテンションが弱い場合でも、マンドレルに供給されている繊維束がたるむ前に当該繊維束をマンドレルに貼り付けることができ、繊維束を目標位置に貼り付けやすくすることができる。したがって、マンドレルの軸方向に沿って繊維束をマンドレルに貼り付けやすくすることができる。

第２の発明のフィラメントワインディング装置は、前記第１の発明において、前記繊維束ガイド部は、前記押付ローラよりも繊維束走行方向における上流側に配置され、前記押付ローラによって前記マンドレルに押し付けられる前の前記繊維束のテンションを受け止めるテンション受け部材を有することを特徴とするものである。

マンドレルを回転させずに繊維束をマンドレルに貼り付ける場合でも、マンドレルが軸方向に移動することで、ある程度のテンションが、マンドレルに供給される繊維束に付与される。このテンションは、押付ローラをマンドレルから浮かせるように作用するので、当該テンションが押付ローラにそのまま作用すると、押付ローラが繊維束をマンドレルに押し付ける力が弱まるおそれがある。本発明では、押付ローラよりも上流側に配置されたテンション受け部材によって、繊維束に付与されたテンションが受け止められる。これにより、テンション受け部材よりも下流側に位置する押付ローラにテンションがそのまま作用することを抑制できるので、押付ローラによる押し付け力が弱まることを抑制できる。

第３の発明のフィラメントワインディング装置は、前記第２の発明において、前記テンション受け部材は、ローラであることを特徴とするものである。

例えば、折れやすい繊維束（上述したピッチ系炭素繊維束等が、これに該当する）をマンドレルに貼り付ける場合、テンション受け部材が固定されていると、繊維束がテンション受け部材に擦られることで折れるおそれがある。本発明では、繊維束をローラに沿って滑らかに走行させることができるため、繊維束が折れることを抑制できる。

第４の発明のフィラメントワインディング装置は、前記第１〜第３のいずれかの発明において、前記ヘリカルユニットは、前記繊維束ガイド部を前記マンドレルの径方向に移動させるガイド移動機構を有することを特徴とするものである。

本発明では、マンドレルの外径に応じて繊維束ガイド部の径方向における位置を調整することで、押付ローラによって、様々な外径を有するマンドレルの周面に繊維束を押し付けることができる。

第５の発明のフィラメントワインディング装置は、前記第１〜第４のいずれかの発明において、前記支持ユニットは、前記軸方向において往復移動可能であり、前記繊維束ガイド部は、複数の前記押付ローラを有し、前記押付ローラとして、前記支持ユニットが前記軸方向における一方側へ移動しているときに前記繊維束を前記マンドレルの周面に押し付ける第１押付ローラと、前記第１押付ローラよりも前記軸方向における他方側に配置され、前記支持ユニットが前記軸方向における前記他方側へ移動しているときに前記繊維束を前記マンドレルの周面に押し付ける第２押付ローラと、が設けられていることを特徴とするものである。

本発明では、支持ユニットが往復移動可能な構成において、マンドレルが軸方向における一方に移動しているときには第１押付ローラによって、他方に移動しているときには第２押付ローラによって、繊維束をマンドレルの周面に押し付けることができる。これにより、マンドレルの往路及び復路の両方において繊維束をマンドレルに貼り付けることができるため、繊維束を効率的にマンドレルに貼り付けることができる。

第６の発明のフィラメントワインディング装置は、前記第１〜第５のいずれかの発明において、前記マンドレルは、前記軸方向に延びる円筒形状を有し、前記押付ローラは、前記押付ローラの軸心を含む断面において、前記ローラ軸方向における中央に向かうほど径が小さくなるように湾曲している縮径部分を有することを特徴とするものである。

例えば、押付ローラが円筒状である場合、湾曲した周面を有するマンドレルに対する押付ローラの接触面積が小さいため、マンドレルの周面に繊維束が押し付けられにくくなるおそれがある。本発明では、押付ローラの縮径部分をマンドレルの周面に沿わせやすくすることができるため、押付ローラのマンドレル周面との接触面積を大きくすることができる。したがって、マンドレルの周面に繊維束を安定的に押し付けることができる。

第７の発明のフィラメントワインディング装置は、前記第６の発明において、前記押付ローラの、前記縮径部分よりも前記ローラ軸方向における両外側には、ローラ端部分がそれぞれ形成されており、前記押付ローラの前記断面において、前記ローラ端部分は、前記縮径部分の外縁の前記ローラ軸方向の端における接線よりも、前記押付ローラの径方向における内側に位置し、前記ローラ端部分の外縁と前記縮径部分の外縁とのなす角が、鈍角であることを特徴とするものである。

縮径部分がローラ軸方向における端まで形成されていると、押付ローラの断面において、ローラ軸方向における端面と、縮径部分の外縁とのなす角が鋭角になる（鋭くなる）ため、以下の問題が生じやすくなる。すなわち、マンドレルの周方向において、現在繊維束が貼り付けられている位置と別の位置に繊維束が既に貼り付けられている場合、押付ローラの端部が上記別の位置の繊維束に接触すると、押付ローラの端部によって当該繊維束がめくり上げられるおそれがある。

本発明では、ローラ端部分の外縁と縮径部分の外縁とのなす角が鈍角となっている。つまり、縮径部分（繊維束に接触しやすい部分）がローラ軸方向における端まで形成されている場合と比べて、縮径部分の端部近傍がなだらかな形状となっている。これにより、縮径部分のローラ軸方向における端部が、既にマンドレルに貼り付けられている繊維束に接触しても、当該繊維束がめくり上げられにくくなる。

第８の発明のフィラメントワインディング装置は、前記第７の発明において、前記ローラ端部分は、前記断面において、矩形状であることを特徴とするものである。

本発明では、ローラ端部分の断面が矩形状（すなわち、ローラ端部が円筒状であり、ローラ端部の径が一定）であるため、製造時の加工を容易化することができる。

第９の発明のフィラメントワインディング装置は、前記第１〜第８のいずれかの発明において、前記繊維束ガイド部は、前記押付ローラを回転自在に支持するローラ支持部と、前記ローラ支持部が取り付けられるガイド支持体と、を備え、前記ローラ支持部は、前記押付ローラの前記マンドレルへの押し付け力の変動を吸収する緩衝部材を有することを特徴とするものである。

本発明では、押付ローラによる押し付け力が、マンドレル周面の微小な凹凸や支持ユニットの微小な振動等、何らかの原因により変動した場合でも、緩衝部材によって押し付け力の変動を吸収できる。したがって、押し付け力が弱くなり過ぎることで繊維束がマンドレルにうまく貼り付けられなくなることや、押し付け力が強くなり過ぎることで押付ローラ等への負荷が過大になることを抑制することができる。

第１０の発明のフィラメントワインディング装置は、前記第９の発明において、前記ローラ支持部は、前記緩衝部材として、前記押付ローラを回転自在に支持する板バネ部材を有することを特徴とするものである。

本発明では、板バネ部材によって、押付ローラの支持、及び、押付ローラによる押し付け力の変動吸収の両方を行うことができる。つまり、押付ローラの支持用の部材と緩衝部材とを別個に設ける必要がない。したがって、部品の数の増加を抑えてコスト増大を抑制することができる。

第１１の発明のフィラメントワインディング装置は、前記第９又は第１０の発明において、前記ローラ支持部は、前記押付ローラを両持ち支持していることを特徴とするものである。

押付ローラが片持ち支持されている場合、ローラ軸方向において、支持されている側の端部と比べて、支持されていない側の端部が大きく変位しやすくなる。このため、押付ローラのローラ軸がマンドレルの周面に対して傾きやすくなり、繊維束がマンドレルに安定的に貼り付けられにくくなるおそれがある。本発明では、押付ローラが両持ち支持されているので、押付ローラのローラ軸方向における一端部が他端部と比べて大きく変位することを抑制でき、押付ローラがマンドレルの周面に対して傾くことを抑制できる。したがって、繊維束をマンドレルに安定的に貼り付けやすくすることができる。

第１２の発明のフィラメントワインディング装置は、前記第５の発明において、前記支持ユニットを制御する制御部をさらに備え、前記制御部は、前記複数の繊維束が前記マンドレルの前記軸方向における一方側の端部から他方側の端部まで貼り付けられるように前記支持ユニットを前記軸方向における前記一方側に移動させた後、前記マンドレルへ供給されている各繊維束の一部分が前記マンドレルの前記他方側の端部からはみ出るように、前記支持ユニットを前記軸方向における前記一方側にさらに移動させ、前記複数の繊維束の、前記マンドレルの前記端部からはみ出たはみ出し部分が、環状の折り返しガイド治具によって囲われた状態で、前記支持ユニットを前記軸方向における前記他方側に引き返させることを特徴とするものである。

第５の発明のように、支持ユニットが往復移動可能な構成においては、マンドレルの端まで貼り付けられた繊維束を切断せずに軸方向に折り返させて、繊維束を連続的にマンドレルに貼り付けるのが、生産効率上好ましい。但し、繊維束がマンドレルの端部まで貼り付けられた後、マンドレルをそのまま逆走させることで繊維束を折り返させると、繊維束に付与されているテンションによって、マンドレルの端部に貼り付けられた繊維束が軸方向に引っ張られて剥がれてしまうおそれがある。

本発明では、制御部によって、支持ユニットを軸方向における一方側に移動させることで繊維束がマンドレルに貼り付けられた後、マンドレルの他方側の端部から各繊維束の一部分がはみ出させられる。そして、複数の繊維束のはみ出し部分が環状の折り返しガイド治具によって囲われた状態で、支持ユニットが他方側に引き返すと、複数の繊維束が折り返しガイド治具の径方向における内側から外側に案内されつつ、他方側に折り返させられる。支持ユニットがさらに他方側に移動すると、折り返しガイド治具は、繊維束のテンションによってマンドレル側へ引き寄せられる。マンドレルのサイズに応じた適切なサイズの折り返しガイド治具を用いることで、引き寄せられた折り返しガイド治具は、マンドレルの端面に接触して受け止められる。このため、折り返した繊維束が軸方向に引っ張られても、繊維束は折り返し治具によって受け止められるため、マンドレルから剥がれることが防止される。これにより、支持ユニットをさらに他方側に移動させると、繊維束の貼り付けを引き続き行うことができる。したがって、マンドレルを往復移動させて繊維束を連続的にマンドレルに貼り付けることができる。

第１３の発明のフィラメントワインディング装置は、前記第１２の発明において、前記折り返しガイド治具は、前記折り返しガイド治具の周方向において複数のガイド片に分割可能であることを特徴とするものである。

例えば、径方向外側から内側に亘って細いスリットが形成された折り返しガイド治具を用い、当該治具の径方向内側に繊維束を手作業等で入れることで、繊維束を囲うこともできる。但し、その場合、繊維束をスリットに通す際に、折り返しガイド治具のスリット形成部分に繊維束が接触すると、繊維束が損傷するおそれがある。本発明では、複数のガイド片を連結させることで、折り返しガイド治具を形成しつつ、当該治具の径方向における外側から繊維束を囲うことができる。つまり、繊維束を囲うために繊維束をスリット等に通す必要がないため、繊維束の損傷を抑制できる。

第１４の発明のフィラメントワインディング装置は、前記第１２又は第１３の発明において、前記折り返しガイド治具は、円環形状を有することを特徴とするものである。

例えば、周方向において多角形状を有する折り返しガイド治具を用いても繊維束を囲うことができるが、そのような折り返しガイド治具を用いた場合、繊維束が折り返しガイド治具の角に当たる等して損傷するおそれがある。本発明では、折り返しガイド治具が円環形状を有する（すなわち、全体的に滑らかな形状を有する）ため、繊維束の損傷を抑制できる。

第１５の発明のフィラメントワインディング装置は、前記第１２〜第１４のいずれかの発明において、前記折り返しガイド治具の最大外径が、前記マンドレルの外径以下であることを特徴とするものである。

本発明では、折り返しガイド治具が複数の繊維束を囲っている状態で、折り返しガイド治具がマンドレルよりも径方向外側に突出することを抑制できる。このため、支持ユニットを他方側に引き返させるときに、折り返しガイド治具がヘリカルユニットの押付ローラ等と干渉することを抑制できる。

本実施形態に係るフィラメントワインディング装置の斜視図である。 巻付装置の斜視図である。 フィラメントワインディング装置の電気的構成を示すブロック図である。 ヘリカル巻ユニットの上側部分の正面図である。 繊維束ガイド部の斜視図である。 繊維束ガイド部の正面図、平面図、及び側面図である。 押付ローラの断面図である。 ガイド移動機構を示す図である。 繊維束がマンドレルに供給される様子を示す図である。 押付ローラとマンドレルとの接触状態を示す図である。 繊維束をマンドレルに貼り付ける手順を示すフローチャートである。 繊維束の往復貼り付けの具体的手順を示すフローチャートである。 リングガイドの説明図である。 リングガイドを用いた繊維束の折り返しを示す説明図である。 リングガイドを用いた繊維束の折り返しを示す説明図である。 リングガイドを用いた繊維束の折り返しの補足図である。 変形例に係るリングガイドを示す図である。 別の変形例に係るフィラメントワインディング装置を示す図である。

次に、本発明の実施の形態について、図１〜図１６を参照しながら説明する。なお、説明の便宜上、図１に示す方向を前後左右方向とする。また、前後左右方向と直交する方向を、重力が作用する上下方向とする。

（フィラメントワインディング装置の概略構成）
まず、フィラメントワインディング装置１の概略構成について、図１を用いて説明する。フィラメントワインディング装置１は、巻付装置２と、クリールスタンド３と、コントロールパネル４と、を備える。

巻付装置２は、マンドレルＭに繊維束Ｆを巻き付けるためのものである。本実施形態における繊維束Ｆは、例えば、ピッチ系炭素繊維束と呼ばれる高弾性の炭素繊維等の繊維材料に、熱硬化性の合成樹脂材が含浸されたものである。ピッチ系炭素繊維束は、高弾性である半面、折れやすいという性質を有する。マンドレルＭは、例えば、自動車のプロペラシャフト等を製造するための芯材であり、円筒形状を有する。なお、巻付装置２の詳細については後述する。

クリールスタンド３は、後述するヘリカル巻ユニット４０（本発明のヘリカルユニット）に繊維束Ｆを供給するためのものである。クリールスタンド３は、支持フレーム１１と、支持フレーム１１に支持された複数のボビン支持部１２とを有する。支持フレーム１１は、概ね左右対称に配置されており、支持フレーム１１の左右方向における中央部には、巻付装置２の一部が配設される配設空間１３が形成されている（なお、配設空間１３内の詳細については、図示を省略している）。複数のボビン支持部１２には、ヘリカル巻ユニット４０に供給される繊維束Ｆが巻かれているボビンＢが、それぞれ回転可能に支持されている。

コントロールパネル４は、制御装置５と、表示部６と、操作部７とを有する。制御装置５は、巻付装置２の各部の動作を制御する。表示部６は、巻付装置２によるマンドレルＭへの繊維束の巻付条件等を表示する。操作部７は、オペレータが巻付装置２による巻付条件等を制御装置５に入力するためのものである。

（巻付装置の構成）
次に、巻付装置２の構成について、図２及び図３を用いて説明する。巻付装置２は、基台１５と、支持ユニット２０（第１支持ユニット２１及び第２支持ユニット２２）と、フープ巻ユニット３０と、ヘリカル巻ユニット４０と、を備える。

基台１５は、支持ユニット２０、フープ巻ユニット３０、及び、ヘリカル巻ユニット４０を支持するためのものである。基台１５は、前後方向に延びている。基台１５上には、前側から第１支持ユニット２１、フープ巻ユニット３０、ヘリカル巻ユニット４０、第２支持ユニット２２の順で、前後方向に並べて配置されている。また、基台１５の上面には、前後方向に延びる複数のレール１６が配設されている。支持ユニット２０及びフープ巻ユニット３０は、レール１６上に配置され、レール１６に沿って前後方向に移動可能に構成されている。ヘリカル巻ユニット４０は、クリールスタンド３の配設空間１３の前端部において、基台１５に固定されている（図１参照）。

支持ユニット２０は、フープ巻ユニット３０よりも前側に配置される第１支持ユニット２１と、ヘリカル巻ユニット４０よりも後側に配置される第２支持ユニット２２と、を有する。支持ユニット２０は、マンドレルＭの軸方向（前後方向）に延びる支持軸２３を中心として、マンドレルＭを回転可能に支持する。支持ユニット２０は、支持ユニット２０をレール１６に沿って前後方向に移動させるための移動用モータ２４と、マンドレルＭを回転させるための回転用モータ２５と、を有する（図３参照）。移動用モータ２４及び回転用モータ２５は、制御装置５によって駆動制御される。

フープ巻ユニット３０は、マンドレルＭに対して繊維束をフープ巻きする（マンドレルＭの軸方向に対して概ね直角な方向に繊維束を巻き付ける）ためのものである。フープ巻ユニット３０は、本体部３１と、回転部材３２と、を有する。本体部３１は、レール１６上に配置されており、回転部材３２をマンドレルＭの軸周りに回転可能に支持する。回転部材３２は、円板形状を有する部材である。回転部材３２の径方向中央部には、マンドレルＭが通過可能な円形の通過穴３４が形成されている。フープ巻ユニット３０には、それぞれ繊維束が巻かれている複数のボビン３３が取り付けられている。複数のボビン３３は、回転部材３２の周方向に等間隔で配置されている。

フープ巻ユニット３０は、図３に示すように、フープ巻ユニット３０をレール１６に沿って前後方向に移動させるための移動用モータ３５と、回転部材３２を回転させるための回転用モータ３６と、を有する。移動用モータ３５及び回転用モータ３６は、制御装置５によって駆動制御される。制御装置５は、マンドレルＭが相対的に通過穴３４を通過するようにフープ巻ユニット３０をレール１６に沿って往復移動させながら、回転部材３２を回転させる。これにより、複数のボビン３３がマンドレルＭの軸周りに公転し、複数の繊維束が複数のボビン３３から引き出される。引き出された複数の繊維束は、マンドレルＭの表面に一斉にフープ巻きされる。

本実施形態のヘリカル巻ユニット４０は、マンドレルＭに対して繊維束Ｆをヘリカル巻きする（マンドレルＭの軸方向に対して概ね平行な方向に繊維束を巻き付ける）ためのものであるとともに、後述する０度配向層をマンドレルＭに形成可能にするためのものである。ヘリカル巻ユニット４０は、本体部４１と、複数のガイド４２と、複数のノズル４３と、テンション付与装置（不図示）と、を有する。本体部４１は、基台１５に立設配置されている。本体部４１の左右方向における中央部には、マンドレルＭが前後方向に通過可能な円形の通過穴４４が形成されている。通過穴４４の周方向に沿って、複数のガイド４２及び複数のノズル４３（本実施形態では、それぞれ１２個ずつ）が配置されている。通常のヘリカル巻きを行う場合、クリールスタンド３に配置されている複数のボビンＢから引き出された複数の繊維束は、複数のガイド４２を経由して、複数のノズル４３に通される。ノズル４３は、マンドレルＭの径方向に沿って延びており、当該径方向における外側から内側に向けて繊維束Ｆを案内する。ノズル４３は、後述するガイド移動機構８０（図８参照）によって、径方向に伸縮可能に構成されている。

ヘリカル巻ユニット４０は、図３に示すように、複数のノズル４３を伸縮させるためのガイド移動用モータ４５を有する。ガイド移動用モータ４５は、制御装置５によって駆動制御される。制御装置５は、マンドレルＭが通過穴４４を通過するように、支持ユニット２０をレール１６に沿って往復移動させながら、複数のノズル４３をマンドレルＭの外形に合わせて伸縮させる。これにより、複数のノズル４３から引き出された複数の繊維束Ｆが、マンドレルＭの表面に一斉にヘリカル巻きされる。回転しながら移動するマンドレルＭに繊維束Ｆが巻き付けられることで、テンション付与装置（不図示）により、繊維束Ｆには所定のテンションが付与される。

巻付装置２でマンドレルＭへの繊維束の巻き付け動作を開始する際には、まず、例えば、オペレータが繊維束の糸端をテープ等でマンドレルＭに固定する。或いは、繊維束の糸端の固定等を自動化するための装置を設けてもよい。繊維束の糸端がマンドレルＭに固定された後、制御装置５が各モータ２４、２５、３５、３６、４５（図３参照）を駆動制御することで、支持ユニット２０に支持されたマンドレルＭに対して、フープ巻ユニット３０によってフープ巻きを施すことができるとともに、ヘリカル巻ユニット４０によってヘリカル巻きを施すことができる。このようにして、マンドレルＭに繊維束が巻き付けられたカーボンロールが製造される。カーボンロールは、軽量、高剛性等の特性を有する。

ここで、近年、例えば、上述したピッチ系炭素繊維束を用いて、繊維束Ｆの層を以下のように形成することで、従来よりもさらに高剛性のカーボンロールが得られることが、本願発明者らにより知見された。すなわち、繊維束ＦがマンドレルＭの軸方向に略平行に貼り付けられた０度配向層と、マンドレルＭの軸方向に対して一方側に傾けて巻き付けられた＋θ配向層と、上記軸方向に対して他方側に傾けて巻き付けられた−θ配向層と、を形成すると良いことが知見された。

０度配向層を形成するためには、マンドレルＭを回転させずに前後方向に移動させながら、繊維束Ｆをヘリカル巻ユニット４０から引き出してマンドレルＭに貼り付ける必要がある。しかしながら、マンドレルＭを回転させずに移動のみさせると、上述した通常のヘリカル巻きを行う場合（マンドレルＭを回転させながら移動させて繊維束ＦをマンドレルＭに巻き付ける場合）と比べて、繊維束Ｆに付与されるテンションが弱くなる。このため、繊維束Ｆが自重でたるみやすくなり、マンドレルの側部や底部等に貼り付けられる繊維束を目標位置に貼り付けることが難しくなるおそれがある。そこで、ヘリカル巻ユニット４０は、前後方向に沿って繊維束ＦをマンドレルＭに貼り付けやすくするため、以下のような構成を備える。

（０度配向層形成のための構成）
０度配向層を形成しやすくするための構成について、図４〜図８を用いて説明する。図４は、ヘリカル巻ユニット４０の上側部分の正面図である。図５は、後述する繊維束ガイド部５０の斜視図である。図６（ａ）〜（ｃ）は、繊維束ガイド部５０の正面図、平面図及び側面図である。図７は、押付ローラ５４の、軸心Ｃを含む断面図である。図８（ａ）は、図４のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ断面図である。図８（ｂ）は、後述する押付ローラ５４がマンドレルＭに接触している状態を示す図である。

図４に示すように、ヘリカル巻ユニット４０の前面には、放射状に配列された複数のノズル４３にそれぞれ対応して、複数（本実施形態では１２個）の繊維束ガイド部５０が設けられる。複数の繊維束ガイド部５０は、回転せず前後方向に移動のみしているマンドレルＭへ複数の繊維束Ｆをそれぞれ案内し、且つ、マンドレルＭに複数の繊維束Ｆをそれぞれ貼り付けるためのものである。複数の繊維束ガイド部５０は、ヘリカル巻ユニット４０に対して着脱可能であり、マンドレルＭに０度配向層を形成する際にヘリカル巻ユニット４０に取り付けられ、通過穴４４の周方向（すなわち、マンドレルＭの周方向）に放射状に配置される。各繊維束ガイド部５０は、後述する接続部材８３（図８参照）を介して、ノズル４３に固定されている。これにより、複数の繊維束ガイド部５０は、マンドレルＭの径方向に移動可能である。

（繊維束ガイド部）
繊維束ガイド部５０の構成について、図５〜図７を用いて説明する。なお、図５及び図６における繊維束ガイド部５０は、図４における１２時の位置にある繊維束ガイド部５０を示している。図５及び図６に示されている上下方向は、マンドレルＭの径方向と一致する。図５及び図６に示されている左右方向は、後述する押付ローラ５４の軸方向（以下、ローラ軸方向とする）と一致する。

図５及び図６に示すように、繊維束ガイド部５０は、ガイド支持体５１と、押付ローラ支持部５２と、拡幅ローラ５３と、押付ローラ５４と、を有する。繊維束ガイド部５０は、ガイド支持体５１によって繊維束ＦをマンドレルＭの径方向における外側から内側（図５及び図６における上方から下方）へ案内し、拡幅ローラ５３によって繊維束Ｆを拡幅する。さらに、繊維束ガイド部５０は、押付ローラ支持部５２に支持された押付ローラ５４によって、マンドレルＭに繊維束Ｆを押し付ける。押付ローラ支持部５２、拡幅ローラ５３及び押付ローラ５４は、繊維束ガイド部５０に２つずつ設けられ、前後対称に配置されている。以降、必要に応じて、前方の押付ローラ支持部５２等の符号の末尾には“Ｆ”を、後方の押付ローラ支持部５２等の符号の末尾には“Ｒ”を、それぞれ付記する。

まず、ガイド支持体５１について説明する。ガイド支持体５１は、繊維束ＦをマンドレルＭの径方向における外側から内側（すなわち、繊維束走行方向における上流側から下流側）へ案内するためのものである。ガイド支持体５１は、上側部材６１と、中間部材６２、６３と、下側部材６４、６５とを有する。ガイド支持体５１において、マンドレルＭの径方向における外側から内側へ順に、上側部材６１、中間部材６２及び６３、下側部材６４及び６５が配置されており、ガイド支持体５１は、全体としてマンドレルＭの径方向に延びた形状を有する。

上側部材６１は、ヘリカル巻ユニット４０に移動可能に接続されるためのものである（詳細は後述する）とともに、ローラ軸方向端部に中間部材６２、６３がそれぞれ接続されるためのものである。上側部材６１は、左右方向（ローラ軸方向）に延び、上方から見て概ねＵ字形状を有する部材である（図５及び図６（ｂ）参照）。中間部材６２、６３は、上下方向（マンドレルＭの径方向）に延びた形状を有する部材である（図５及び図６（ａ）、（ｃ）参照）。中間部材６２の上部は上側部材６１の左端部に、中間部材６３の上部は上側部材６１の右端部に、それぞれ固定されている。中間部材６２、６３の上下方向における途中部分は、左右方向に屈曲している（図５及び図６（ａ）参照）。これにより、中間部材６２、６３は、板バネとして機能し、例えば、繊維束Ｆの貼り付け中において繊維束ガイド部５０の微小振動等を抑制する。

下側部材６４、６５は、２つの拡幅ローラ５３を回転自在に支持するためのものである。下側部材６４、６５は、図６（ｂ）に示すように、前後方向に延び、上方から見て略Ｕ字形状を有する。下側部材６４は中間部材６２の下部に、下側部材６５は中間部材６３の下部に、それぞれ固定されている。下側部材６４、６５は、前後に並べられた２つの拡幅ローラ５３を回転自在に両持ち支持する（図５及び図６（ｃ）参照）。また、下側部材６４には、前後方向に延びるガイド棒６６（図６（ｂ）のハッチング部分）が取り付けられている。同様に、下側部材６５には、ガイド棒６７が取り付けられている。ガイド棒６６、６７は、ローラ軸方向に並べて配置され、これらの間に繊維束Ｆが通される。これにより、ガイド支持体５１によって案内されている繊維束Ｆが、ローラ軸方向にずれることが抑制される。

次に、拡幅ローラ５３について説明する。２つの拡幅ローラ５３（本発明のテンション受け部材）は、マンドレルＭの径方向における外側から内側へ案内される繊維束Ｆを拡幅するためのものであるとともに、繊維束Ｆのテンションを受け止めるためのものである。２つの拡幅ローラ５３は、例えば、円筒形状を有する樹脂製のローラである。２つの拡幅ローラ５３は、下側部材６４、６５によって回転自在に両持ち支持されており、走行する繊維束Ｆが接触することで従動回転可能である。拡幅ローラ５３の軸方向は、マンドレルＭの軸方向と直交している。下側部材６４、６５の前側部分には拡幅ローラ５３Ｆが、後側部分には拡幅ローラ５３Ｒが、それぞれ支持されている（図５及び図６（ｃ）参照）。

拡幅ローラ５３Ｆ、５３Ｒは、前後方向において互いに離間しており、これらの間に繊維束Ｆが通されるように構成されている。拡幅ローラ５３Ｆは、マンドレルＭが前方へ移動しているときに繊維束Ｆが接触するように配置されている。拡幅ローラ５３Ｒは、マンドレルＭが後方へ移動しているときに繊維束Ｆが接触するように配置されている。また、２つの拡幅ローラ５３は、２つの押付ローラ５４よりも上方（マンドレルＭの径方向における外側）に配置されており（図６（ｃ）参照）、マンドレルＭに接触しないように構成されている。

次に、押付ローラ支持部５２（本発明のローラ支持部）について説明する。図５及び図６に示すように、２つの押付ローラ支持部５２は、ガイド支持体５１の前後両端部に１つずつ取り付けられている。より具体的には、２つの押付ローラ支持部５２は、下側部材６４、６５の前後両端部に取り付けられている。

２つの押付ローラ支持部５２は、それぞれ板バネ部材７１、７２（本発明の緩衝部材）を有する。板バネ部材７１、７２は、前後方向から見て、概ねＬ字状の部材である。前方の押付ローラ支持部５２Ｆに設けられた板バネ部材７１Ｆは、下側部材６４の前端部に取り付けられて前方に延びている。板バネ部材７１Ｆの前側部分は下方（マンドレルＭの径方向内側）に延び、押付ローラ５４Ｆの回転軸の一方側端部を支持している。同様に、板バネ部材７２Ｆは、下側部材６５の前端部に取り付けられ、押付ローラ５４Ｆの回転軸の他方側端部を支持している。つまり、板バネ部材７１Ｆ、７２Ｆにより、押付ローラ５４Ｆが回転自在に両持ち支持されている。押付ローラ５４Ｆによる押し付け力が、マンドレルＭの周面の微小な凹凸等、何らかの原因により変動した場合でも、板バネ部材７１Ｆ、７２Ｆにより、押し付け力の変動が吸収される。

同様に、後側の押付ローラ支持部５２Ｒは、板バネ部材７１Ｒ、７２Ｒを有する。板バネ部材７１Ｒ、７２Ｒは、押付ローラ５４Ｒを回転自在に両持ち支持し、且つ、押付ローラ５４ＲのマンドレルＭへの押し付け力の変動を吸収する。

次に、２つの押付ローラ５４について、図５〜図７を用いて説明する。２つの押付ローラ５４は、繊維束ＦをマンドレルＭに押し付けることで、前後方向（マンドレルＭの軸方向）に沿って繊維束ＦをマンドレルＭに貼り付けるためのものである。２つの押付ローラ５４の周面は、例えば、ゴム又はウレタン等の、可撓性及び／又は弾性を有する部材で形成されている。２つの押付ローラ５４の軸方向は、マンドレルＭの軸方向と直交している（図４参照）。図５及び図６に示すように、前側の押付ローラ５４Ｆ（本発明の第１押付ローラ）は押付ローラ支持部５２Ｆに、後側の押付ローラ５４Ｒ（本発明の第２押付ローラ）は押付ローラ支持部５２Ｒに、それぞれ回転自在に両持ち支持されている。押付ローラ５４Ｆ、５４Ｒは、走行する繊維束Ｆが接触することで従動回転可能である。押付ローラ５４Ｆは、マンドレルＭが前方（本発明の一方）へ移動しているときに繊維束ＦをマンドレルＭに押し付けるように配置されている。押付ローラ５４Ｒは、マンドレルＭが後方 (本発明の他方)へ移動しているときに繊維束ＦをマンドレルＭに押し付けるように配置されている。

押付ローラ５４の、軸心Ｃを含む断面の形状について、図７を用いて説明する。押付ローラ５４は、ローラ本体５５と、回転軸５６とを有する。ローラ本体５５は、縮径部分５５ａと、ローラ端部分５５ｂと、ローラ端部分５５ｃとを有する。押付ローラ５４の回転中心である回転軸５６の軸方向（ローラ軸方向）において、２つの二点鎖線で挟まれた部分が縮径部分５５ａであり、ローラ軸方向において縮径部分５５ａの両外側にそれぞれ形成された部分がローラ端部分５５ｂ、５５ｃである。

縮径部分５５ａは、ローラ軸方向における中央に向かうにつれて径が小さくなるように湾曲している。つまり、縮径部分５５ａは、マンドレルＭの周面に沿いやすい形状となっている。ローラ端部分５５ｂの断面は、矩形状である。つまり、ローラ端部分５５ｂは、円筒形状を有する。ローラ端部分５５ｃは、ローラ端部分５５ｂと同様の形状及び大きさを有する。

図７に示される断面における縮径部分５５ａの外縁５５ｄと、ローラ端部分５５ｂの外縁５５ｅとのなす角について説明する。外縁５５ｄと外縁５５ｅとのなす角、すなわち、外縁５５ｄのローラ軸方向の端（点１００）における接線１０１と、外縁５５ｅとのなす角θは、９０°よりも大きい（つまり、鈍角である）。外縁５５ｄと、ローラ端部分５５ｃの外縁とのなす角についても同様である。また、図７に示すように、ローラ端部分５５ｂは、押付ローラ５４の径方向において、接線１０１よりも内側に位置している。ローラ端部分５５ｃについても同様である。

（ガイド移動機構）
次に、以上の構成を有する繊維束ガイド部５０をマンドレルＭの径方向に移動させるガイド移動機構８０について、図８を用いて説明する。図８（ａ）は、図４のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ断面図である。図８（ｂ）は、図８（ａ）の状態から、繊維束ガイド部５０がマンドレルＭの径方向における内側に移動した後の状態を示す図である。

図８（ａ）、（ｂ）に示すように、ガイド移動機構８０は、ヘリカル巻ユニット４０の本体部４１に取り付けられている。ガイド移動機構８０は、一例として、スパイラル軸８１と、ボールナット８２と、接続部材８３と、前述したノズル４３と、前述したガイド移動用モータ４５とを有する。ガイド移動機構８０においては、スパイラル軸８１が回転することで、ボールナット８２、及び、ボールナット８２に取り付けられたノズル４３がマンドレルＭの径方向に移動する。さらに、ノズル４３の先端部に取り付けられた接続部材８３に、繊維束ガイド部５０が取り付けられており、繊維束ガイド部５０がノズル４３と一体的に移動する。以下、より詳細について説明する。

スパイラル軸８１は、本体部４１の前端部４１ａの後面に取り付けられたＣ字状の支持部材８４に回転可能に支持されている。スパイラル軸８１は、マンドレルＭの径方向に延びている。スパイラル軸８１には、雄ねじが形成されている。スパイラル軸８１は、ガイド移動用モータ４５によって回転駆動される（矢印１０２参照）。ボールナット８２の前側部分には雌ねじが形成されている。ボールナット８２は、スパイラル軸８１に螺合されている。ボールナット８２の後側部分には、ノズル４３が取り付けられている。ノズル４３は、ボールナット８２と一体的に移動可能となっている（矢印１０３参照）。マンドレルＭの径方向において、ノズル４３の外側端部には、Ｌ字状の接続部材８３が取り付けられている。接続部材８３は、ノズル４３と接続された部分から前方に延び、前端部がマンドレルＭの径方向における内側に延びている。繊維束ガイド部５０のガイド支持体５１は、接続部材８３に取り付けられている。具体的には、ガイド支持体５１の上側部材６１が、接続部材８３の前端部の径方向内側端部に固定されている。以上の構成を有するガイド移動機構８０によって、繊維束ガイド部５０は、マンドレルＭの径方向に移動可能となっている（矢印１０４参照）。ガイド移動機構８０によって繊維束ガイド部５０の位置を調整することで、押付ローラ５４が、マンドレルＭの周面に接触可能である（図８（ｂ）参照）。

（繊維束の供給経路）
次に、マンドレルＭへの繊維束Ｆの供給経路について説明する。０度配向層の形成の際、繊維束Ｆは、ヘリカル巻ユニット４０のガイド４２（図４参照）によって案内された後、ノズル４３を経由せずに、繊維束ガイド部５０のガイド支持体５１によって、マンドレルＭの径方向における外側から内側へ案内される（図８（ｂ）参照）。さらに、繊維束Ｆは、拡幅ローラ５３（図８（ｂ）においては、拡幅ローラ５３Ｆ）に接触して拡幅されつつ案内され、押付ローラ５４（図８（ｂ）においては、押付ローラ５４Ｆ）によってマンドレルＭに押し付けられる。このように、ヘリカル巻ユニット４０によって、繊維束ガイド部５０を経由して、繊維束ＦがマンドレルＭに供給される。

（貼り付け動作）
次に、以上の構成を備えるフィラメントワインディング装置１において、０度配向層を形成するときの動作（すなわち、繊維束Ｆを前後方向に沿ってマンドレルＭに貼り付ける貼り付け動作）について、図９及び図１０を用いて説明する。図９は、繊維束ＦがマンドレルＭに供給されており、且つ、繊維束ＦがマンドレルＭに貼り付けられている様子を示す図である。図１０（ａ）は、繊維束ガイド部５０の押付ローラの形状が本実施形態の押付ローラ５４の形状と異なる場合の、押付ローラとマンドレルＭとの接触状態を示す図である。図１０（ｂ）は、押付ローラ５４とマンドレルＭとの接触状態を示す図である。なお、ここでは、複数の繊維束ガイド部５０のうち、図４における１２時の位置にある繊維束ガイド部５０を経由して供給される繊維束Ｆについてのみ説明するが、他の繊維束Ｆについても同様である。

貼り付け動作を開始する際には、まず、オペレータが、繊維束ＦをボビンＢからマンドレルＭまで繊維束ガイド部５０を経由して案内させた後、繊維束Ｆの先端部をテープ等でマンドレルＭの端部（例えば前端部。図９参照）に固定する。次に、制御装置５（図３参照。本発明の制御部）が、ガイド移動用モータ４５（図３参照）を制御してガイド移動機構８０（図８参照）を動作させ、繊維束ガイド部５０をマンドレルＭの径方向内側に移動させて、押付ローラ５４をマンドレルＭに接触させる。これにより、押付ローラ５４がマンドレルＭの周面に押し付けられ、繊維束Ｆの、押付ローラ５４とマンドレルＭの間に挟まれている部分が、マンドレルＭに押し付けられる。

次に、制御装置５は、移動用モータ２４（図３参照）を制御して、支持ユニット２０を前方に移動させることで、ヘリカル巻ユニット４０に対してマンドレルＭを前方に移動させる（図９参照）。これにより、繊維束Ｆは、ボビンＢから引き出されながら走行し、拡幅ローラ５３Ｆによって拡幅された後、押付ローラ５４ＦによってマンドレルＭに押し付けられ、樹脂の粘性によってマンドレルＭに貼り付けられる。これにより、繊維束Ｆは、自重でたわむよりも前に、マンドレルＭに貼り付けられやすくなる。なお、本実施形態における貼り付け動作の際には、制御装置５は回転用モータ２５（図３参照）を駆動させない。すなわち、貼り付け動作の際にはマンドレルＭは回転しない。

ここで、マンドレルＭが回転していなくても、マンドレルＭが軸方向に移動することで、繊維束Ｆにはある程度のテンションが付与されている。このテンションは、押付ローラ５４Ｆを浮かせるように作用する。但し、このテンションは、拡幅ローラ５３Ｆによって受け止められるため、拡幅ローラ５３Ｆよりも繊維束走行方向における下流側に配置された押付ローラ５４Ｆにそのままテンションが作用することが抑制される。

制御装置５が、さらに移動用モータ２４を駆動させて支持ユニット２０を前方に移動させることで、マンドレルＭの後端部まで繊維束が貼り付けられる。この時点で、１回の貼り付け動作が完了する。なお、逆に、繊維束ＦをマンドレルＭの後端部から前端部まで貼り付ける場合は、繊維束Ｆは、繊維束ガイド部５０の後側部分に配置された拡幅ローラ５３Ｒ及び押付ローラ５４Ｒによって案内される。

ここで、例えば、図１０（ａ）、（ｂ）に示すように、マンドレルＭの軸方向に沿って繊維束Ｆ１を貼り付ける際、繊維束Ｆ１が貼り付けられる位置とは別の位置に、既に、繊維束Ｆ２がマンドレルＭの軸方向に沿って貼り付けられている場合が想定される。この場合、図１０（ａ）に示すように、押付ローラが、ローラ軸方向における両端部まで湾曲している（すなわち、両端部まで縮径部分１５５ａが形成されている）ような押付ローラ１５４である場合、押付ローラ１５４の端面と縮径部分１５５ａの外縁とのなす角θａが鋭角となり、マンドレルＭが軸方向に移動したときに、押付ローラ１５４によって繊維束Ｆ２がめくり上げられるおそれがある。この点、本実施形態の押付ローラ５４では、ローラ端部分５５ｂの外縁５５ｅと、縮径部分５５ａの外縁５５ｄとのなす角θが鈍角となっている（図７参照）。ローラ端部分５５ｃについても同様である。つまり、図１０（ａ）に示されるような場合と比べて、図１０（ｂ）に示すように、縮径部分５５ａの端部近傍がなだらかな形状となっている。これにより、縮径部分５５ａのローラ軸方向における端部が、仮に繊維束Ｆ２に接触しても、繊維束Ｆ２がめくり上げられにくい。

（０度配向層の形成）
次に、マンドレルＭの軸方向に沿った０度配向層をマンドレルＭの全周に亘って形成する具体的な手順について、図１１〜図１６を用いて説明する。図１１は、繊維束ＦをマンドレルＭに貼り付けて０度配向層を形成する手順を示すフローチャートである。図１２は、繊維束Ｆの往復貼り付け（後述するシーケンスＳ１０２）の具体的手順を示すフローチャートである。他の図については、必要に応じて適宜説明する。

本実施形態においては、１２個の繊維束ガイド部５０を用いて複数の繊維束ＦをマンドレルＭの全周に亘って貼り付けるので、１つのボビンＢから供給される繊維束Ｆは、マンドレルＭの全周の１／１２に亘って、それぞれマンドレルＭに貼り付けられることとなる。このため、マンドレルＭの外径によっては、上述した１回の貼り付け動作を終えた後、マンドレルＭを回転させて繊維束Ｆの幅の分だけ周方向に動かし、繊維束Ｆがまだ貼り付けられていない部分に繊維束Ｆを貼り付けるという動作を繰り返す必要がある。そのためには、マンドレルＭの端まで貼り付けられた繊維束Ｆを切断せずに軸方向に折り返させて、繊維束Ｆを連続的にマンドレルに貼り付けるのが、生産効率上好ましい。但し、繊維束ＦがマンドレルＭの端部まで貼り付けられた後、マンドレルＭをそのまま逆走させることで繊維束Ｆを折り返させると、繊維束Ｆに付与されているテンションによって、マンドレルＭの端部に貼り付けられた繊維束Ｆが軸方向に引っ張られて剥がれるおそれがある。そこで、本実施形態では、以下の方法を用いて０度配向層を形成する。

０度配向層の形成手順の概要について説明する。まず、前述したように、繊維束Ｆの先端部をマンドレルＭの端部に固定する（Ｓ１０１）。次に、貼り付け動作、マンドレルＭの回転、及び、繊維束ＦをマンドレルＭの軸方向における一方から他方に折り返させる折り返し動作（詳細は後述する）を繰り返し行うことで、繊維束ＦをマンドレルＭに往復で貼り付ける（Ｓ１０２）。最後に、マンドレルＭの全周に亘って貼り付けられた繊維束Ｆの、マンドレルＭの軸方向における両端部を、例えば、フープ巻ユニット３０によってフープ巻きすることで固定する（Ｓ１０３）。

（繊維束の往復貼り付けの手順）
次に、繊維束ＦをマンドレルＭに往復で貼り付ける手順（Ｓ１０２）の詳細について説明する。

具体的な手順の説明に先立って、繊維束Ｆを軸方向に折り返させる折り返し動作の際に使用されるリングガイド２００（本発明の折り返しガイド治具）の構造について、図１３を用いて説明する。図１３（ａ）は、リングガイド２００の全体図である。図１３（ｂ）は、リングガイド２００の分解図である。図１３（ｃ）は、図１３（ｂ）を矢印ＸＩＩＩ（ｃ）で示される方向から見た図である。

リングガイド２００は、複数の繊維束Ｆを軸方向に折り返させる際に、複数の繊維束Ｆを囲う（図１３参照）ための治具である。リングガイド２００は、図１３（ａ）に示すように、断面円形の円環形状を有する。リングガイド２００の外径は、マンドレルＭの外径と略等しい（図１３（ｃ）参照）。図１３（ｂ）に示すように、リングガイド２００は、半円環状の２つのガイド片２０１、２０２に分割可能になっている。ガイド片２０１とガイド片２０２は、例えば、以下のようにして連結可能になっている。すなわち、図１３（ｂ）、（ｃ）に示すように、ガイド片２０１の一方の端部には係合孔２０１ａが、他方の端部には係合爪２０１ｂが形成されている。ガイド片２０２の、係合爪２０１ｂと対向する端部には係合孔２０２ａが、係合孔２０１ａと対向する端部には係合爪２０２ｂが形成されている（図１３（ｂ）参照）。係合孔２０１ａと係合爪２０２ｂとが互いに係合し、且つ、係合孔２０２ａと係合爪２０１ｂとが互いに係合することで、ガイド片２０１とガイド片２０２とが互いに連結される。

次に、繊維束ＦをマンドレルＭに往復で貼り付ける具体的な手順について、図１４〜図１６を用いて説明する。図１４（ａ）〜（ｄ）及び図１５（ａ）〜（ｃ）は、ヘリカル巻ユニット４０及びマンドレルＭを側方から見たときの、マンドレルＭ及び繊維束Ｆの動きを示す図である。図１６（ａ）〜（ｃ）は、ヘリカル巻ユニット４０及びマンドレルＭを上方から見た図である。なお、図１４及び図１５においては、図４における１２時及び６時の位置にある繊維束ガイド部５０及び繊維束Ｆを図示している。図１６においては、図４における１２時の位置にある繊維束ガイド部５０及び繊維束Ｆを図示している。また、支持ユニット２０（図２等参照）の図示は省略している。

まず、制御装置５は、繊維束Ｆの先端部がマンドレルＭの前端部に固定された状態で、移動用モータ２４（図３参照）を制御して、支持ユニット２０及びマンドレルＭを後方から前方に移動させる（図１４（ａ）及び図１６（ａ）参照）。これにより、マンドレルＭの前端部から後端部まで繊維束Ｆが貼り付けられる（Ｓ２０１）。

次に、制御装置５は、支持ユニット２０をさらに前方に移動させる。これにより、マンドレルＭの前端部から、マンドレルへ供給されている各繊維束の一部分がはみ出る（Ｓ２０２。図１４（ｂ）参照）。この状態で、制御装置５は、ガイド移動用モータ４５（図８参照）を制御してガイド移動機構８０（図８参照）を動作させ、繊維束ガイド部５０をマンドレルＭの径方向内側へ移動させる（図１４（ｂ）の矢印参照）。これにより、繊維束Ｆの、マンドレルＭの前端部からはみ出たはみ出し部分Ｆａが、マンドレルＭの径方向内側に寄せられる。この状態で、オペレータは、前述したリングガイド２００ではみ出し部分Ｆａを囲う（Ｓ２０３。図１４（ｂ）参照）。

リングガイド２００ではみ出し部分Ｆａが囲われている状態で、制御装置５は、繊維束ガイド部５０をマンドレルＭの径方向外側へ移動させ、貼り付け動作時の位置に戻す。次に、制御装置５は、回転用モータ２５（図３参照）を制御して、マンドレルＭを回転させて繊維束Ｆの幅だけ周方向に動かしつつ、移動用モータ２４（図３参照）を制御して、支持ユニット２０及びマンドレルＭを後方に引き返させる（Ｓ２０４）。なお、本実施形態において、マンドレルＭの回転方向は、前方から見て時計回りである。

これにより、複数の繊維束Ｆがリングガイド２００の径方向における内側から外側に案内されつつ、後方に折り返させられる折り返し動作が行われる（図１４（ｃ）参照）。また、リングガイド２００が断面円形状を有していることから、繊維束Ｆがリングガイド２００に沿って滑らかに折り返させられる。このため、ピッチ系炭素繊維束等の折れやすい繊維束Ｆを扱う場合でも、繊維束Ｆが折れることが抑制される。ここで、マンドレルＭの回転及び移動（引き返し）は同時に行わなくても良く、いずれか一方を先に、他方を後に行っても良い。なお、本実施形態においては、折り返し動作におけるマンドレルＭの回転方向が前方から見て時計回りであるため、図１４（ｃ）において、マンドレルＭに貼り付けられた繊維束Ｆのうち下側の繊維束Ｆは、紙面奥側に隠れている（以降の図においても同様）。

制御装置５が支持ユニット２０をさらに後方に移動させると、リングガイド２００は、繊維束Ｆのテンションによって前方（マンドレルＭ側）へ引き寄せられる（図１４（ｄ）参照）。引き寄せられたリングガイド２００は、マンドレルＭの端面に接触して受け止められるため、繊維束Ｆが前方に引っ張られても、繊維束Ｆはリングガイド２００によって受け止められる。このため、繊維束ＦがマンドレルＭから剥がれることが防止される。

次に、制御装置５は、支持ユニット２０を後方に移動させて（図１５（ａ）及び図１６（ｂ）参照）、複数の繊維束ＦをマンドレルＭの後端部から前端部まで貼り付ける（Ｓ２０５）。なお、オペレータは、この時点では、リングガイド２００をまだ取り外さない。つまり、この時点では、はみ出し部分Ｆａを囲っている状態が保たれている。リングガイド２００の外径はマンドレルＭの外径と略等しいため、リングガイド２００が押付ローラ５４と干渉することが抑制されている。

次に、制御装置５は、支持ユニット２０をさらに後方に移動させて、各繊維束Ｆの一部分をマンドレルＭの前端部からはみ出させ（Ｓ２０６。図１５（ｂ）参照）、繊維束ガイド部５０をマンドレルＭの径方向内側へ移動させる（図１５（ｂ）の矢印参照）。次に、オペレータは、はみ出し部分Ｆａを囲っているリングガイド２００とは別のリングガイド２００（リングガイド２００ａ）で、前側のはみ出し部分Ｆｂを囲う（Ｓ２０７。図１５（ｂ）参照）。さらに、制御装置５は、繊維束ガイド部５０をマンドレルＭの径方向外側へ移動させた後、マンドレルＭを繊維束Ｆの幅だけ周方向に回転させつつ前方に引き返させる（Ｓ２０８）。これにより、再びマンドレルＭの前端部から後端部まで繊維束Ｆを貼り付けることが可能になる（図１５（ｃ）、図１６（ｃ）参照）。

以上の動作の繰り返しにより、繊維束ＦをマンドレルＭの全周に亘って貼り付けることが可能になる。なお、オペレータは、マンドレルＭの全周に亘って０度配向層が形成されるまで、リングガイド２００を取り外さない。オペレータは、折り返し動作のたびに、新たなリングガイド２００で繊維束Ｆのはみ出し部分を囲う。このため、折り返し動作を行うたびにリングガイド２００の数が増え、複数のリングガイド２００がマンドレルＭの軸方向に並ぶこととなる。マンドレルＭの全周に亘って０度配向層が形成された後は、上述したように、フープ巻き等により繊維束Ｆの両端部を固定し、その後、はみ出し部分Ｆａ等を切断することで、複数のリングガイド２００の回収が可能になる。

以上のように、繊維束Ｆが、繊維束ガイド部５０の押付ローラ５４によってマンドレルＭの周面に押し付けられることで、樹脂の粘性によってマンドレルＭに貼り付けられる。これにより、マンドレルＭが回転しておらず繊維束Ｆに付与されるテンションが弱い場合でも、マンドレルＭに供給されている繊維束Ｆがたるむ前に繊維束ＦをマンドレルＭに貼り付けることができ、繊維束Ｆを目標位置に貼り付けやすくすることができる。したがって、マンドレルＭの軸方向に沿って繊維束ＦをマンドレルＭに貼り付けやすくすることができる。

また、押付ローラ５４よりも上流側に配置された拡幅ローラ５３によって、繊維束Ｆに付与されたテンションが受け止められる。これにより、押付ローラ５４にテンションがそのまま作用することを抑制できるので、押付ローラに５４よる押し付け力が弱まることを抑制できる。

また、繊維束Ｆを拡幅ローラ５３に沿って滑らかに走行させることができるため、繊維束Ｆが折れることを抑制できる。

また、マンドレルＭの外径に応じて繊維束ガイド部５０の位置を調整することで、押付ローラ５４によって、様々な外径を有するマンドレルＭの周面に繊維束Ｆを押し付けることができる。

また、マンドレルＭが前方に移動しているときには押付ローラ５４Ｆによって、後方に移動しているときには押付ローラ５４Ｒによって、繊維束ＦをマンドレルＭの周面に押し付けることができる。これにより、マンドレルＭの往路及び復路の両方において繊維束ＦをマンドレルＭに貼り付けることができるため、繊維束Ｆを効率的にマンドレルＭに貼り付けることができる。

また、押付ローラ５４が縮径部分５５ａを有するため、縮径部分５５ａをマンドレルＭの周面に沿わせやすくすることができ、押付ローラ５４のマンドレル周面との接触面積を大きくすることができる。したがって、マンドレルＭの周面に繊維束Ｆを安定的に押し付けることができる。

また、ローラ端部分５５ｂの外縁５５ｅと縮径部分５５ａの外縁５５ｄとのなす角が鈍角となっている。つまり、縮径部分５５ａ（繊維束に接触しやすい部分）がローラ軸方向における端まで形成されている場合と比べて、縮径部分５５ａの端部近傍がなだらかな形状となっている。これにより、縮径部分５５ａのローラ軸方向における端部が、既にマンドレルＭに貼り付けられている繊維束Ｆに接触しても、当該繊維束Ｆがめくり上げられにくくなる。

また、ローラ端部の断面が矩形状（すなわち、ローラ端部が円筒状であり、ローラ端部の径が一定）であるため、製造時の加工を容易化することができる。

また、押付ローラ５４による押し付け力が何らかの原因により変動した場合でも、板バネ部材７１、７２によって押し付け力の変動を吸収できる。したがって、押し付け力が弱くなり過ぎることで繊維束ＦがマンドレルＭにうまく貼り付けられなくなることや、押し付け力が強くなり過ぎることで押付ローラ５４等への負荷が過大になることを抑制することができる。

また、板バネ部材７１、７２によって、押付ローラ５４の支持、及び、押付ローラ５４による押し付け力の変動吸収の両方を行うことができる。つまり、押付ローラの支持用の部材と緩衝部材とを別個に設ける必要がない。したがって、部品の数の増加を抑えてコスト増大を抑制することができる。

また、押付ローラ５４が両持ち支持されているので、押付ローラ５４のローラ軸方向における一端部が他端部と比べて大きく変位することを抑制でき、押付ローラ５４がマンドレルＭの周面に対して傾くことを抑制できる。したがって、繊維束ＦをマンドレルＭに安定的に貼り付けやすくすることができる。

また、制御装置５によって、支持ユニット２０が軸方向における一方側に移動することで繊維束ＦがマンドレルＭに貼り付けられた後、マンドレルＭの他方側の端部から各繊維束Ｆの一部分がはみ出させられる。そして、複数の繊維束のはみ出し部分Ｆａがリングガイド２００によって囲われた状態で、支持ユニット２０が他方側に引き返すと、複数の繊維束Ｆがリングガイド２００の径方向における内側から外側に案内されつつ、他方側に折り返させられる。これにより、支持ユニット２０をさらに他方側に移動させると、繊維束Ｆの貼り付けを引き続き行うことができる。したがって、マンドレルＭを往復移動させて繊維束Ｆを連続的にマンドレルＭに貼り付けることができる。さらに、折れやすいピッチ系炭素繊維を取り扱う場合においても、断面円形のリングガイド２００によって繊維束Ｆを滑らかに折り返させることができるため、繊維束Ｆが折れることを抑制できる。

また、複数のガイド片２０１、２０２を連結させることで、リングガイド２００を形成しつつ、リングガイド２００の径方向における外側から繊維束Ｆを囲うことができる。つまり、リングガイド２００によって繊維束Ｆを囲う際に、繊維束Ｆがリングガイド２００に接触することが抑制されるので、繊維束Ｆの損傷を抑制できる。

また、リングガイド２００が円環形状を有する（すなわち、全体的に滑らかな形状を有する）ため、繊維束Ｆの損傷を抑制できる。

また、リングガイド２００の外径がマンドレルＭの外径と略等しいため、リングガイド２００が複数の繊維束を囲っている状態で、リングガイド２００がマンドレルよりも径方向外側に突出することを抑制できる。このため、支持ユニット２０を引き返させるときに、リングガイド２００が押付ローラ５４等と干渉することを抑制できる。

次に、前記実施形態に変更を加えた変形例について説明する。但し、前記実施形態と同様の構成を有するものについては、同じ符号を付して適宜その説明を省略する。

（１）前記実施形態において、繊維束ガイド部５０の押付ローラ５４のローラ端部分５５ｂ、５５ｃが円筒形状であるものとしたが、これには限られない。押付ローラ５４の径方向において、ローラ端部分５５ｂが接線１０１よりも内側に位置していれば良い。ローラ端部分５５ｃにおいても同様である。

（２）前記までの実施形態において、押付ローラ５４のローラ端部分５５ｂ、５５ｃの形状を工夫することで繊維束Ｆのめくり上げを抑制するものとしたが、これには限られない。すなわち、縮径部分５５ａが押付ローラ５４の端部まで形成されていても良い。このような構成においても、例えば、ガイド移動機構８０を利用して押付ローラ５４とマンドレルＭとの位置関係を適切に調整する等して、繊維束Ｆのめくり上げを抑制しても良い。

（３）前記までの実施形態において、押付ローラ５４が縮径部分５５ａを有するものとしたが、これには限られない。例えば、押付ローラ５４全体が円筒形状を有していても良い。

（４）前記までの実施形態において、押付ローラ５４が押付ローラ支持部５２によって両持ち支持されているものとしたが、これには限られない。押付ローラ５４は、片持ち支持されていても良い。

（５）前記までの実施形態において、押付ローラ支持部５２の板バネ部材７１、７２が、押付ローラ５４を支持する支持部材と、押し付け力の変動を吸収する緩衝部材とを兼ねるものとしたが、これには限られない。押付ローラ支持部５２は、支持部材と緩衝部材とを別個に有していても良い。

（６）前記までの実施形態において、繊維束ガイド部５０のガイド支持体５１に設けられた拡幅ローラ５３が、本発明のテンション受け部材に相当するものとしたが、これには限られない。例えば、拡幅ローラ５３の代わりに、ガイド支持体５１の下側部材６４、６５に、固定されたテンション受け部材が設けられていても良い。このような構成でも、柔らかく折れにくい繊維束を用いる場合、当該繊維束のテンションを受け止めることは可能である。

或いは、ガイド支持体５１にテンション受け部材が設けられていなくても良い。このような構成でも、例えば、マンドレルＭをゆっくり移動させることで、繊維束のテンションを弱く抑え、押付ローラ５４の押し付け力への影響を抑える等しても良い。

（７）前記までの実施形態において、マンドレルＭが円筒形状であるものとしたが、これには限られない。例えば、マンドレルＭの外径が軸方向において変化するものである場合、繊維束Ｆの貼り付け動作中にガイド移動機構８０を動作させ、押付ローラ５４による押し付け力が一定になるように繊維束ガイド部５０の位置を調整しても良い。

（８）前記までの実施形態において、ヘリカル巻ユニット４０がガイド移動機構８０を有しており、様々な径のマンドレルＭに繊維束Ｆを貼り付け可能であるものとしたが、これには限られない。例えば、所定の径のマンドレルＭにのみ繊維束Ｆを貼り付けるヘリカル巻ユニット４０においては、コスト削減のためガイド移動機構８０を省いても良い。

（９）前記までの実施形態において、繊維束Ｆを往復で貼り付ける際に使用されるリングガイド２００が、２つのガイド片２０１、２０２に分割可能であるものとしたが、３つ以上に分割可能であっても良い。また、ガイド片同士が完全に分かれる構成でなくても良く、例えば、一部のガイド片がヒンジによって互いにつながっていても良い。

（１０）前記までの実施形態において、リングガイド２００が円環形状を有しているものとしたが、これには限られない。例えば、図１７（ａ）に示すように、十二角形状のリングガイド２１０を用いても良い（なお、リングガイド２１０は、２つのガイド片２１１、２１２に分割可能である）。つまり、円環形状に限らず、環状（本発明では、環状とは、多角形状のリング等、繊維束Ｆを囲うことが可能な形状という広い意味を有するものとする）の折り返しガイド治具を用いて、繊維束Ｆを折り返させても良い。なお、リングガイド２１０と押付ローラ５４等との干渉を抑制するため、リングガイド２１０の最大外径（角における径方向のサイズ）は、マンドレルＭの外径以下であることが好ましい。

（１１）前記までの実施形態において、リングガイド２００が分割可能であるものとしたが、これには限られない。例えば、図１７（ｂ）に示すように、リングガイド２２０がスリット２２１を有しており、繊維束Ｆをリングの内側に入れることで繊維束Ｆを囲うことが可能な構成であっても良い。このようなリングガイド２２０の形状も、本発明の環状に含まれる。なお、この場合、リングガイド２２０で繊維束Ｆを囲う際に繊維束Ｆを傷つけないように、手作業等で慎重に繊維束Ｆを扱うことが必要となる。

（１２）前記までの実施形態において、リングガイド２００等を用いて繊維束Ｆを折り返させるものとしたが、これには限られない。例えば、以下のようにして繊維束Ｆを往復で貼り付けても良い。すなわち、マンドレルＭの前端部から後端部まで繊維束Ｆを貼り付けた後、繊維束Ｆを切断し、マンドレルＭを少しだけ回転させ、まだマンドレルＭに貼り付けられていない繊維束Ｆの先端部をマンドレルＭの後端部に固定する。その上で、マンドレルＭを前方から後方に移動させることで、マンドレルＭの後端部から前端部まで繊維束Ｆが貼り付けられる。このような作業の繰り返しにより、繊維束Ｆを往復でマンドレルＭに貼り付けても良い。

（１３）前記までの実施形態において、貼り付け動作では、マンドレルＭを回転させずに軸方向にのみ移動させるものとしたが、マンドレルＭをわずかに回転させながら軸方向に移動させることで、軸方向からわずかに傾けた層を形成しても良い。

（１４）前記までの実施形態において、支持ユニット２０が往復移動可能であり、且つ、繊維束ガイド部５０が２つの押付ローラ５４Ｆ、５４Ｒを有するものとしたが、これには限られない。すなわち、図１８に示すように、フィラメントワインディング装置１ａが、前後方向に並べられた複数のヘリカル巻ユニット４０ａを備えており、各ヘリカル巻ユニット４０ａに取り付けられた繊維束ガイド部５０ａが、押付ローラ５４を１つのみ有する構成でも良い。これにより、複数のヘリカル巻ユニット４０ａによって、マンドレルＭの全周に亘って０度配向層を形成することを可能としても良い。

１ フィラメントワインディング装置
５ 制御装置（制御部）
２０ 支持ユニット
４０ ヘリカル巻ユニット（ヘリカルユニット）
５０ 繊維束ガイド部
５１ ガイド支持体
５２ 押付ローラ支持部（ローラ支持部）
５３ 拡幅ローラ（テンション受け部材）
５４ 押付ローラ
５４Ｆ 押付ローラ（第１押付ローラ）
５４Ｒ 押付ローラ（第２押付ローラ）
５５ａ 縮径部分
５５ｂ ローラ端部分
５５ｃ ローラ端部分
５５ｄ 外縁
５５ｅ 外縁
７１ 板バネ部材（緩衝部材）
７２ 板バネ部材（緩衝部材）
８０ ガイド移動機構
１０１ 接線
２００ リングガイド（折り返しガイド治具）
Ｃ 軸心
Ｆ 繊維束
Ｆａ はみ出し部分
Ｍ マンドレル

Claims (15)

1. 樹脂が含浸された複数の繊維束が巻き付けられるマンドレルを支持可能であり、且つ、マンドレルの軸方向に移動可能な支持ユニットと、
   前記マンドレルの周方向において放射状に配列され、且つ、前記複数の繊維束を前記マンドレルへそれぞれ案内する複数の繊維束ガイド部を有し、前記複数の繊維束ガイド部を経由して前記複数の繊維束を前記マンドレルに供給するヘリカルユニットと、を備え、
   前記複数の繊維束ガイド部のそれぞれは、前記マンドレルに供給されている前記繊維束を、前記軸方向に移動している前記マンドレルの周面に押し付ける押付ローラを有し、
   前記押付ローラは、前記軸方向と直交するローラ軸方向に延びるローラ軸を回転中心として、前記マンドレルの周面に接触して従動回転可能であることを特徴とするフィラメントワインディング装置。
2. 前記繊維束ガイド部は、
   前記押付ローラよりも繊維束走行方向における上流側に配置され、前記押付ローラによって前記マンドレルに押し付けられる前の前記繊維束のテンションを受け止めるテンション受け部材を有することを特徴とする請求項１に記載のフィラメントワインディング装置。
3. 前記テンション受け部材は、ローラであることを特徴とする請求項２に記載のフィラメントワインディング装置。
4. 前記ヘリカルユニットは、
   前記繊維束ガイド部を前記マンドレルの径方向に移動させるガイド移動機構を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のフィラメントワインディング装置。
5. 前記支持ユニットは、前記軸方向において往復移動可能であり、
   前記繊維束ガイド部は、複数の前記押付ローラを有し、
   前記押付ローラとして、
   前記支持ユニットが前記軸方向における一方側へ移動しているときに前記繊維束を前記マンドレルの周面に押し付ける第１押付ローラと、
   前記第１押付ローラよりも前記軸方向における他方側に配置され、前記支持ユニットが前記軸方向における前記他方側へ移動しているときに前記繊維束を前記マンドレルの周面に押し付ける第２押付ローラと、が設けられていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のフィラメントワインディング装置。
6. 前記マンドレルは、前記軸方向に延びる円筒形状を有し、
   前記押付ローラは、
   前記押付ローラの軸心を含む断面において、
   前記ローラ軸方向における中央に向かうほど径が小さくなるように湾曲している縮径部分を有することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のフィラメントワインディング装置。
7. 前記押付ローラの、前記縮径部分よりも前記ローラ軸方向における両外側には、ローラ端部分がそれぞれ形成されており、
   前記押付ローラの前記断面において、
   前記ローラ端部分は、前記縮径部分の外縁の前記ローラ軸方向の端における接線よりも、前記押付ローラの径方向における内側に位置し、
   前記ローラ端部分の外縁と前記縮径部分の外縁とのなす角が、鈍角であることを特徴とする請求項６に記載のフィラメントワインディング装置。
8. 前記ローラ端部分は、前記断面において、矩形状であることを特徴とする請求項７に記載のフィラメントワインディング装置。
9. 前記繊維束ガイド部は、
   前記押付ローラを回転自在に支持するローラ支持部と、
   前記ローラ支持部が取り付けられるガイド支持体と、を備え、
   前記ローラ支持部は、
   前記押付ローラの前記マンドレルへの押し付け力の変動を吸収する緩衝部材を有することを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載のフィラメントワインディング装置。
10. 前記ローラ支持部は、前記緩衝部材として、前記押付ローラを回転自在に支持する板バネ部材を有することを特徴とする請求項９に記載のフィラメントワインディング装置。
11. 前記ローラ支持部は、前記押付ローラを両持ち支持していることを特徴とする請求項９又は１０に記載のフィラメントワインディング装置。
12. 前記支持ユニットを制御する制御部をさらに備え、
    前記制御部は、
    前記複数の繊維束が前記マンドレルの前記軸方向における一方側の端部から他方側の端部まで貼り付けられるように前記支持ユニットを前記軸方向における前記一方側に移動させた後、前記マンドレルへ供給されている各繊維束の一部分が前記マンドレルの前記他方側の端部からはみ出るように、前記支持ユニットを前記軸方向における前記一方側にさらに移動させ、
    前記複数の繊維束の、前記マンドレルの前記端部からはみ出たはみ出し部分が、環状の折り返しガイド治具によって囲われた状態で、前記支持ユニットを前記軸方向における前記他方側に引き返させることを特徴とする請求項５に記載のフィラメントワインディング装置。
13. 前記折り返しガイド治具は、前記折り返しガイド治具の周方向において複数のガイド片に分割可能であることを特徴とする請求項１２に記載のフィラメントワインディング装置。
14. 前記折り返しガイド治具は、円環形状を有することを特徴とする請求項１２又は１３に記載のフィラメントワインディング装置。
15. 前記折り返しガイド治具の最大外径が、前記マンドレルの外径以下であることを特徴とする請求項１２〜１４のいずれかに記載のフィラメントワインディング装置。
    

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