JP6954018B2

JP6954018B2 - 樹脂が含浸した第１の繊維と第２の繊維とを接合する装置および方法

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Publication number: JP6954018B2
Application number: JP2017216570A
Authority: JP
Inventors: 和敏首藤
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2017-11-09
Filing date: 2017-11-09
Publication date: 2021-10-27
Anticipated expiration: 2037-11-09
Also published as: DE102018123021A1; DE102018123021B4; JP2019084794A; CN109760325A; CN109760325B; US20190135576A1; US11008192B2

Description

本発明は、樹脂が含浸した第１の繊維と第２の繊維とを接合する繊維接合装置および方法に関する。

ガラスクロスや炭素繊維のような繊維束にエポキシなどの熱硬化性樹脂を含浸させ半硬化状態にした熱硬化性樹脂含浸繊維は、多くの構造部材の素材として用いられる。通常、樹脂が含浸した繊維はフィラメントワインディング法やテープワインディング法などによってライナーの外周面に巻き付けられた後、適宜の熱硬化処理が行われる。このような処理において、複数個の繊維ボビンに巻き付けられた繊維を連続した状態に接合していく作業が必要となり、例えば、特許文献１に記載のように、第１の繊維ボビンに巻き付けられた繊維の終端部と第２の繊維ボビンに巻き付けられた繊維の始端部とを熱圧着により接合していくことが一般的に行われている。

また、特許文献２に記載のように、先の繊維の終端部と後の繊維の始端部とを板面上で重ね合わせ、重ね合わせ部に熱接着シートをあてがって熱圧着した後、接合した繊維を樹脂槽内を通過させて、樹脂を含浸させることも行われている。

特開２０１３−６３８２３号公報特開２０１１−１３１５３７号公報

繊維同士の接合において、接合時に、先行する繊維とそこに接合させる後続の繊維とを正確に位置決めすることが求められており、特許文献１や特許文献２に記載される装置においても、それぞれ工夫が講じられている。しかしながら、現在実使用されているこの種の繊維接合装置において、繊維同士の位置決め手法は十分なものではなく、一層の改善が求められている。

本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、樹脂が含浸した繊維同士の接合をより正確に位置決めした状態で接合することのできる繊維接合装置と繊維接合方法を提供することを課題とする。

本発明による繊維接合装置は、樹脂が含浸した第１の繊維と第２の繊維とを接合する装置であって、前記第１の繊維の終端部側を保持可能な支持台と、前記第２の繊維の始端部側を巻き付けることのできる繊維保持用ローラを備えた繊維保持用ローラ機構と、前記第２の繊維の始端部側を前記繊維保持用ローラに巻き付けた状態の前記繊維保持用ローラ機構を、前記支持台上に保持された前記第１の繊維の終端部側の近傍まで移動させる第１の移動と、前記第１の移動の後に前記繊維保持用ローラ機構を前記第１の繊維の終端部側上でさらに移動させることで前記第２の繊維の始端部側を前記第１の繊維の終端部側上に積層した状態とする第２の移動と、を行わせる繊維保持用ローラ機構移動機構と、前記支持台上で積層した前記第１の繊維の終端部側と前記第２の繊維の始端部側とを一体に圧着することのできる圧着機構と、を少なくとも備えることを特徴とする。

上記の繊維接合装置において、前記繊維保持用ローラが前記第２の繊維の始端部側を巻き付けた状態は前記第２の繊維の始端部側を前記繊維保持用ローラに該ローラの一周分よりも多く巻き付けた状態であることは、好ましい態様である。

また、上記の繊維接合装置において、前記繊維保持用ローラ機構は前記繊維保持用ローラの回転を規制する回転規制機構をさらに備え、前記繊維保持用ローラ機構移動機構は前記回転規制機構で回転が規制された状態で前記第１の移動を行い、前記回転規制機構での規制が解放された状態で前記第２の移動を行うことは、好ましい態様である。

本発明による方法は、樹脂が含浸した第１の繊維と第２の繊維とを接合する方法であって、前記第１の繊維の終端部側を支持台上に保持する工程と、前記第２の繊維の始端部側を繊維保持用ローラに一周分よりも多く巻き付ける工程と、前記第２の繊維の始端部側を巻き付けた前記繊維保持用ローラを前記支持台上に保持された前記第１の繊維の終端部側上に保持する工程と、前記繊維保持用ローラが前記第１の繊維の終端部側上に載った状態で、巻き付けた前記第２の繊維の始端部側が巻き出される方向に前記繊維保持用ローラを移動させる工程と、積層した前記第１の繊維の終端部側と前記第２の繊維の始端部側とを一体に接合する工程と、を少なくとも含むことを特徴とする。

本発明による繊維接合装置および方法によれば、先行する第１の繊維の終端部と後続の第２の繊維の始端部とを、正確に位置決めされた状態で接合することが可能となる。

繊維接合装置の要部である繊維保持用ローラ機構を説明するための斜視図。図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図。図１の側面図。繊維接合装置の全体を示す上面視図。繊維保持用ローラ機構が支持台に接近する状態を示す図。繊維保持用ローラが支持台に当接した後の状態を示す図。本発明による繊維接合装置および繊維接合方法の利点を説明するための模式図。積層された繊維を熱圧着する状態を示す図。繊維接合装置および繊維接合方法の他の例を説明するための図。

以下、図面を参照しながら、本発明の一実施の形態を説明する。
実施の形態を説明する前に、本発明者が上記課題を解決すべく検討した他の繊維接合装置４００について、図９を参照して説明する。繊維接合装置４００は、クランプによる繊維把持機構４０１を備え、図示しない第１の位置、すなわち後続する繊維である第２の繊維４の始端部側をクリップした位置から、図示しないガイド機構によって、図９（ａ）に示す第２の位置、すなわち先行する繊維である第１の繊維３の終端部側が支持台１の上に保持されている位置まで、位置制御しながら位置移動させるようにした。それにより、かなりの高い精度での、第１の繊維３の終端部側に対する第２の繊維４の始端部側の位置決めが可能となった。

前記繊維接合装置４００において、前記繊維把持機構４０１は、下クリップ片４０２と上クリップ片４０３とを備え、その間に第２の繊維４の始端部側をクリップした状態で、前記の移動を行った。しかし、第２の繊維４には、通常、硬化用のエポキシ樹脂が含浸されており、滑りやすいことから、下クリップ片４０２と上クリップ片４０３とに凹凸を形成して把持力を強化することが必要であった。また、図９（ａ）に示す位置まで繊維把持機構４０１を移動させた後、熱圧着コテ２０１を支持台１に向けて押圧させることで、２つの繊維３、４の接圧着を行い、その後、クリップ力を解放して、繊維把持機構４０１を離脱させたが、図９（ｂ）に示すように、第２の繊維４のクリップされていた先端領域４ａを、熱圧着コテ２０１および支持台１を移動して、再度熱圧着することが必要となる場合が生じた。さらに、先端領域４ａは、下クリップ片４０２の存在により、その厚み分だけ、支持台１上の第１の繊維３から浮いた状態とならざるを得ないことから、長さ方向および左右方向の双方に位置のバラつきが生じるのを完全に回避するのは困難であった。

本実施の形態の繊維接合装置３００は、図９に示した繊維接合装置４００をさらに改良したものである。本実施の形態の繊維接合装置３００は、図４に示すように、基本的に、支持台１と、繊維保持用ローラ機構１０と、繊維保持用ローラ機構移動機構１００と、熱圧着機構２００とを備える。以下、順次説明する。

支持台１は、接合対象物である熱硬化性樹脂が含浸した繊維を接合時に保持するための支持台であり、平坦な保持面２を備える。繊維同士の接合時には、保持面２の上に、先行する繊維である第１の繊維３の終端部側が保持される。そして、後記するように、その上に後続する繊維である第２の繊維４の始端部側が積層され、熱圧着により、両者が一体に接合される。

前記繊維保持用ローラ機構１０を、図１〜図３を参照して説明する。図１は、繊維保持用ローラ機構１０の全体を説明するための斜視図であり、図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図であり、図３は、側面図である。

繊維保持用ローラ機構１０は、基台１１を有し、その一方の側端部に支柱１２を立設している。基台１１の前記支柱１２の反対の側には、繊維保持用ローラ１３が、回転自在かつ搖動自在に取り付けられている。すなわち、基台１１には、所定の間隔をおいて、互いに平行な一対の側壁１４、１５が前記支柱１２と同じ方向に立ち上がっており、該側壁１４、１５の一方端側に、回転中心軸Ｏ１を持つ支軸１６が回動自在に支承されている。

前記支軸１６には、側壁１４、１５に沿うようにして、一対のアーム１７、１８が固定されており、前記アーム１７、１８の先端部には、回転中心軸Ｏ２を持つ前記繊維保持用ローラ１３が、回転自在に支承されている。よって、回転中心軸Ｏ２に交差する方向の力が繊維保持用ローラ１３に対して付加されると、繊維保持用ローラ１３は支軸１６の回転中心軸Ｏ１を支軸として搖動することができる。支軸１６にはコイルばね３０が巻き付けられており、その一端３１は前記一方の側壁１５に立設した係止体１９に係止されており、他端３２は、前記アーム１８に立設した係止体２０に係止されている。

繊維保持用ローラ１３の前記一方のアーム１７に面した側の側面２１には、切込み２２が形成されている。前記切込み２２は回転中心軸Ｏ２の方向に延びる端壁２３を有する。前記側壁１４、すなわち前記繊維保持用ローラ１３の前記一方の側面２１に面した側の側壁１４には、ストッパー片４０が取り付けてあり、該ストッパー片４０の先端部４１は繊維保持用ローラ１３の回転中心軸Ｏ２と平行方向に折曲しており、該先端部４１は繊維保持用ローラ１３に形成した前記切込み２２における端壁２３と衝接している。このストッパー片４０は、繊維保持用ローラ１３の回転を規制する回転規制機構を構成する。

図２に示すように、繊維保持用ローラ１３は、コイルばね３０の力により、支軸１６の回転中心軸Ｏ１を中心として反時計回り方向に回転する付勢力を常時受けている。しかし、図３に示すように、前記したストッパー片４０の先端部４１が繊維保持用ローラ１３の切込み２２内に入り込んでいることで、通常時は、ストッパー片４０に規制される位置で停止した状態にある。同時に、繊維保持用ローラ１３の回転中心軸Ｏ２を中心とした回転も規制されている。

図４に示すように、本実施の形態の繊維接合装置３００において、前記繊維保持用ローラ機構１０は、繊維保持用ローラ機構移動機構１００に組み付けられている。繊維保持用ローラ機構１０の基台１１に立設した前記支柱１２が繊維保持用ローラ機構移動機構１００の図示しないクランプによって把持されており、前記クランプが繊維保持用ローラ機構移動機構１００に備えられた適宜の駆動機構によって往復動することで、繊維保持用ローラ機構１０は、繊維保持用ローラ機構移動機構１００の案内レール１０１に沿って往復動する。

前記案内レール１０１は傾斜しており、図で傾斜上方部は、繊維ボビン５に近接した位置にあり、傾斜下方部は、支持台１に近接した位置にある。後記するように、繊維の接合時に、繊維保持用ローラ機構１０は、図４に示される上位位置である第１の位置から、案内レール１０１に沿って図で下方に向けて移動し、支持台１の上を通過して、さらに下流位置である第２の位置まで移動する。また、支持台１の上方には、熱圧着機構２００を構成する熱圧着コテ２０１が位置しており、熱圧着コテ２０１と支持台１とが熱圧着機構２００を構成する。

次に、実施の形態の繊維接合装置３００を用いて、第１の繊維３の終端部側と第２の繊維４の始端部側とを熱圧着する手順を説明する。図示しない先行する繊維ボビンから巻き出される繊維は支持台１上を通過していく。そのボビンの繊維が少なくなったときに、ボビンの交換を行う。そのときに、繊維は支持台１に載った状態で、図示しないカッターにより切断され、余った繊維はボビンに戻される。図４において、３は、そのようにして切断された繊維（第１の繊維）の終端部側を示している。

その後、あるいは前記切断作業等と平行して、新たな繊維ボビンを用意する。図４での５は、新たに用意された繊維ボビンを示している。一方、繊維保持用ローラ機構１０を図４に示す前記第１の位置にセットする。その状態で、手作業により繊維保持用ローラ１３を図で上方に押し上げる。それにより、アーム１７、１８は支軸１６の回転中心軸Ｏ１を支点として時計回り方向に搖動し、繊維保持用ローラ１３は時計回り方向に持ち上げられる。その移動により、ストッパー片４０の先端部４１と繊維保持用ローラ１３に形成された切込み２２との係合状態は解除され、繊維保持用ローラ１３は回転中心軸Ｏ２を中心とした回転が可能となる。

その状態で、新たに用意された繊維ボビン５に巻き付けられている繊維（第２の繊維４）の始端部側を引き出し、繊維保持用ローラ１３に巻き付ける。巻き付け量に制限はないが、１周よりも多い巻き付け量、より好ましくは１周と１／４周程度の巻き付けを行う。１／４周分の重なり部が繊維保持用ローラ１３に形成されるので、以後の繊維保持用ローラ機構１０の移動時での巻き付け状態の安定性をより確実にすることができる。

第２の繊維４の始端部側を繊維保持用ローラ１３に巻き付けた状態の繊維保持用ローラ機構１０を、繊維保持用ローラ機構移動機構１００を作動して、前記支持台１に向けて移動させる。図５は、繊維保持用ローラ機構１０が支持台１に近接し、両者が接触する直前の状態を示している。その位置では、図示のように、支持台１の保持面２のレベルＬよりも繊維保持用ローラ１３の最下部が少し下方の位置となるように、繊維保持用ローラ機構１０の上下方向の位置決めを行う。なお、ここまでの移動が「繊維保持用ローラ機構移動機構の第１の移動」に相当する。

さらに繊維保持用ローラ機構１０が、繊維保持用ローラ機構移動機構１００によって、図で左方に移動すると、支持台１の端部に繊維保持用ローラ１３が衝接する。その衝接により、繊維保持用ローラ１３は上方に向けて変位し、結果、アーム１７、１８は支軸１６の回転中心軸Ｏ１を支点として時計回り方向に搖動する。その搖動により、ストッパー片４０の先端部４１と繊維保持用ローラ１３に形成された切込み２２との係合状態は解除され、繊維保持用ローラ１３は自由な回転が可能となる。また、係合が解除されたことで、コイルばね３０の付勢力が復帰し、アーム１７、１８を介して繊維保持用ローラ１３には反時計回り方向の搖動が付与される。その搖動により、繊維保持用ローラ１３は、支持台１の保持面２に向けて圧接するようになる。そして、その状態で、繊維保持用ローラ機構１０はさらに左方に向けて移動する。その状態が図６に示される。

前記のように、繊維保持用ローラ機構１０が支持台１の保持面２の上を移動するときには、繊維保持用ローラ１３は自由に回転できるようになっている。そのために、図７に模式的に示すように、繊維保持用ローラ１３は、反時計回り方向に自由に回転しながら、支持台１の保持面２の上に載っている第１の繊維３の終端部側上を移動し、その移動の過程で、繊維保持用ローラ１３に巻き付けられていた第２の繊維４の始端部側を、第１の繊維３の終端部側上に巻き戻していき、両者は浮き上がり等の無い状態で、密着かつ圧着した状態とされる。

支持台１の上を通過しながら、繊維保持用ローラ１３から第２の繊維４の始端部側を解放した繊維保持用ローラ機構１０は、さらに下流位置である第２の位置まで移動する。なお、ここまでの移動が「繊維保持用ローラ機構移動機構の第２の移動」に相当する。その後、繊維保持用ローラ機構１０は、繊維保持用ローラ機構移動機構１００によって、再度、図４に示した第１の位置に戻されて、次回の接合時まで待機する。

繊維保持用ローラ機構１０が支持台１の保持面２から退避した後に、図８に示すように、熱圧着コテ２０１が下降して、積層している第１の繊維３の終端部側と第２の繊維４の始端部側とを熱圧着することで、両者は接合一体化される。

上記のように、本実施の形態による、樹脂が含浸した第１の繊維３と第２の繊維４とを接合する繊維接合装置３００および方法によれば、樹脂が含浸した第２の繊維４の始端部側を繊維保持用ローラ１３に１周分よりも多く巻き付けることで、繊維保持用ローラ１３の周面上に繊維同士が重なった部分を形成することができ、繊維保持用ローラ１３に対する第２の繊維４の始端部側の固定状態を安定させることができる。また、その状態の繊維保持用ローラ１３を、回転が自由となった状態で、先行している第１の繊維３の終端部側上を移動させることで、第１の繊維３の上に直接第２の繊維４が積層した状態となり、かつ、そのときに、繊維保持用ローラ１３は積層している第１の繊維３と第２の繊維４に向けて押圧されているので、第１の繊維３と第２の繊維４が正確に位置決めされると同時に、接合時での位置ズレも抑制される。

なお、本実施の形態では、繊維保持用ローラ機構１０に支柱１２を設け、繊維保持用ローラ機構移動機構１００は該支柱１２を把持することで繊維保持用ローラ機構１０に所要の移動を与えるようにしたが、支柱１２を設けることは一つの例示であって、繊維保持用ローラ機構移動機構１００が繊維保持用ローラ機構１０を移動可能にする手段は、任意である。

また、上記の実施の形態では、繊維保持用ローラ１３の一方の側面２１に切込み２２を形成するようにしたが、繊維保持用ローラ１３の周面に回転中心軸Ｏ２に平行に凹溝を形成するとともに、該凹溝の全長にわたって入り込むことのできる長さのストッパー片を設けるようにしてもよい。この形態でも所期の目的は達成可能である。その場合、該凹溝の位置に第２の繊維４の始端部側を位置させておき、ストッパー片を凹溝内に入り込ませるようにすることで、第２の繊維４の始端部側の繊維保持用ローラ１３を一層安定させることができる。

また、適宜の位置センサとアクチュエータを設け、位置センサが繊維保持用ローラ１３が支持台１に到達したことを検知したときに、アクチュエータが、繊維保持用ローラ１３とストッパー片４０との係合を解除する方向にアーム１７、１８の移動を生じさせる構成とすることもできる。

３００…繊維接合装置、
１００…繊維保持用ローラ機構移動機構、
１０１…案内レール、
２００…熱圧着機構、
２０１…熱圧着コテ、
１…支持台、
３…第１の繊維、
４…第２の繊維、
５…繊維ボビン、
１０…繊維保持用ローラ機構、
１１…基台、
１２…支柱、
１３…繊維保持用ローラ、
１４、１５…一対の側壁、
１６…支軸、
１７、１８…一対のアーム、
１９…側壁に立設した係止体、
２０…アームに立設した係止体、
２１…繊維保持用ローラの側面、
２２…切込み、
２３…切込みの端壁、
３０…コイルばね、
３１、３２…コイルばねの端部、
４０…ストッパー片、
４１…ストッパー片の先端部、
Ｏ１…支軸１６の回転中心軸、
Ｏ２…一対のアーム１７、１８の回転中心軸。

Claims

樹脂が含浸した第１の繊維と第２の繊維とを接合する装置であって、
前記第１の繊維の終端部側を保持可能な支持台と、
前記第２の繊維の始端部側を巻き付けることのできる繊維保持用ローラを備えた繊維保持用ローラ機構と、
前記第２の繊維の始端部側を前記繊維保持用ローラに巻き付けた状態の前記繊維保持用ローラ機構を、前記支持台上に保持された前記第１の繊維の終端部側の近傍まで移動させる第１の移動と、前記第１の移動の後に前記繊維保持用ローラ機構を前記第１の繊維の終端部側上でさらに移動させることで前記第２の繊維の始端部側を前記第１の繊維の終端部側上に積層した状態とする第２の移動と、を行わせる繊維保持用ローラ機構移動機構と、前記支持台上で積層した前記第１の繊維の終端部側と前記第２の繊維の始端部側とを一体に圧着することのできる圧着機構と、
を少なくとも備えることを特徴とする繊維接合装置。
請求項１に記載の装置であって、前記繊維保持用ローラが前記第２の繊維の始端部側を巻き付けた状態は前記第２の繊維の始端部側を前記繊維保持用ローラに該ローラの一周分よりも多く巻き付けた状態であることを特徴とする繊維接合装置。
請求項１または２に記載の装置であって、前記繊維保持用ローラ機構は前記繊維保持用ローラの回転を規制する回転規制機構をさらに備え、前記繊維保持用ローラ機構移動機構は前記回転規制機構で回転が規制された状態で前記第１の移動を行い、前記回転規制機構での規制が解放された状態で前記第２の移動を行うことを特徴とする繊維接合装置。
樹脂が含浸した第１の繊維と第２の繊維とを接合する方法であって、
前記第１の繊維の終端部側を支持台上に保持する工程と、
前記第２の繊維の始端部側を繊維保持用ローラに一周分よりも多く巻き付ける工程と、前記第２の繊維の始端部側を巻き付けた前記繊維保持用ローラを前記支持台上に保持された前記第１の繊維の終端部側上に保持する工程と、
前記繊維保持用ローラが前記第１の繊維の終端部側上に載った状態で、前記巻き付ける工程において前記繊維保持用ローラに巻き付けた前記第２の繊維の始端部側が前記繊維保持用ローラの回転により前記繊維保持用ローラから巻き出されて第１の繊維の終端部側上に積層される方向に前記繊維保持用ローラを移動させる工程と、
積層した前記第１の繊維の終端部側と前記第２の繊維の始端部側とを一体に接合する工程と、を少なくとも含むことを特徴とする繊維接合方法。