(57)【要約】【課題】繊維のローラへの絡まりや繊維幅のバラつきの発生を抑制できる技術を提供する。【解決手段】フィラメントワインディング装置は、予め定められた幅を有する繊維を供給する繊維供給部と、繊維供給部から供給される繊維を巻き付け対象物に送出し、繊維の送出方向に沿った軸を中心に揺動可能なアイクチと、繊維供給部とアイクチとの間の繊維供給路に位置し、繊維を搬送する１つ以上の固定ローラと、アイクチと繊維供給路における最もアイクチ側に位置する固定ローラとの間の繊維供給路に位置するクラウンローラと、クラウンローラを移動させる移動機構と、クラウンローラをアイクチの揺動によって繊維の幅方向に生じる経路長の差を打ち消すように移動させるよう移動機構を制御する制御部と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
フィラメントワインディング装置であって、
予め定められた幅を有する繊維を供給する繊維供給部と、
前記繊維供給部から供給される前記繊維を巻き付け対象物に送出し、前記繊維の送出方向に沿った軸を中心に揺動可能なアイクチと、
前記繊維供給部と前記アイクチとの間の繊維供給路に位置し、前記繊維を搬送する１つ以上の固定ローラと、
前記アイクチと前記繊維供給路における最も前記アイクチ側に位置する固定ローラとの間の繊維供給路に位置するクラウンローラと、
前記クラウンローラを移動させる移動機構と、
前記クラウンローラを前記アイクチの揺動によって前記繊維の幅方向に生じる経路長の差を打ち消すように移動させるよう前記移動機構を制御する制御部と、を備える、フィラメントワインディング装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フィラメントワインディング装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、燃料電池システムに用いられる高圧水素タンクの製造において、フィラメントワインディング装置により強化繊維をライナーの外郭に巻き付ける方法がある。フィラメントワインディング装置として、例えば、特許文献１には、アイクチを繊維の送出方向である揺動軸を中心として回転させるものが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−１９６８１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、アイクチの揺動によって繊維が捻られる場合、繊維の幅方向における経路長の差が生じ、繊維とローラが擦れて繊維にダメージを与えるおそれがある。この場合、繊維が毛羽立ち、ローラに絡まるおそれや、繊維幅にバラつきが生じるおそれがある。そのため、繊維のローラへの絡まりや繊維幅のバラつきの発生を抑制できる技術が望まれていた。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
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。
【０００６】
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。このフィラメントワインディング装置は、予め定められた幅を有する繊維を供給する繊維供給部と、前記繊維供給部から供給される前記繊維を巻き付け対象物に送出し、前記繊維の送出方向に沿った軸を中心に揺動可能なアイクチと、前記繊維供給部と前記アイクチとの間の繊維供給路に位置し、前記繊維を搬送する１つ以上の固定ローラと、前記アイクチと前記繊維供給路における最も前記アイクチ側に位置する固定ローラとの間の繊維供給路に位置するクラウンローラと、前記クラウンローラを移動させる移動機構と、前記クラウンローラを前記アイクチの揺動によって前記繊維の幅方向に生じる経路長の差を打ち消すように移動させるよう前記移動機構を制御する制御部と、を備える。この形態のフィラメントワインディング装置によれば、クラウンローラによって繊維幅方向の経路長の差が生じることを抑制できる。このため、繊維のローラへの絡まりや繊維幅のバラツキを抑制できる。
【０００７】
なお、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、フィラメントワインディング装置を用いた強化繊維をライナーの外郭に巻き付ける方法や、フィラメントワインディング装置を用いたタンクの製造方法、フィラメントワインディング装置の制御方法などの形態で実現することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】フィラメントワインディング装置の一例を示す説明図である。
【図２】ライナーに巻き付けるために繰り出した繊維の比較例の説明図である。
【図３】ライナーに巻き付けるために繰り出した繊維の説明図である。
【図４】クラウンローラを繊維の幅方向（ｘ軸方向）から見た図である。
【図５】クラウンローラの説明図である。
【図６】ライナーに対する繊維の巻き付け処理の一例を示したフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
Ａ．第１実施形態：
図１は、本実施形態のフィラメントワインディング装置１００の一例を示す説明図である。フィラメントワインディング装置１００は、繊維供給部１０と、第１固定ローラ２１と、第２固定ローラ２２と、クラウンローラ３０と、アイクチ４０と、制御部５０と、を備える。フィラメントワインディング装置１００は、樹脂が含浸された予め定められた幅を有する炭素繊維の束（以下、単に「繊維Ｔ」という）に張力を掛けつつ、回転するライナー６０にフープ巻きやヘリカル巻きを組み合わせて巻き付ける。これにより、ライナー６０の外周に炭素繊維による補強層が形成され、タンクが製造される。ライナー６０は、本願の「巻き付け対象物」に相当する。図１には互いに直行するｘ軸、ｙ軸、ｚ軸を示している。ｘ軸は繊維Ｔの幅方向に沿った方向であり、ｙ軸はクラウンローラ３０とアイクチ４０との間における繊維Ｔの送出方向に沿った方向であり、ｚ軸は重力方向に沿った方向である。これらの軸は図２以降に示した軸に対応している。
【００１０】
本実施形態において、「フープ巻き」とは、ライナー６０の中心軸に対して略垂直になるように繊維Ｔを巻き付けると共に、中心軸方向に沿って巻き付け位置を移動させる巻き付け方法である。垂直とは８０度〜９０度の範囲に入っている場合が該当する。また、「ヘリカル巻き」は、低角度ヘリカル巻きと高角度ヘリカル巻きとに大別される。「低角度ヘリカル巻き」は、ライナー６０のドーム部において繊維Ｔの巻き付け方向が折り返される比較的小さな巻き付け角度（例えば、５〜３０度）を有する巻き付け方法である。「高角度ヘリカル巻き」は、ライナー６０の円筒部において繊維Ｔが一周できる程度の比較的大きな巻き付け角度（例えば、７０〜８０度）を有する巻き付け方法である。
【００１１】
繊維Ｔは、炭素繊維束を熱硬化型エポキシ樹脂に含浸させた、いわゆるプリプレグである。なお、このようなプリプレグとしては、例えば、ポリアクリロ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。
【００１２】
繊維供給部１０は、繊維Ｔが巻き付けられたクリルスタンドから、アイクチ４０に対して繊維Ｔの供給を行う部材である。
【００１３】
第１固定ローラ２１および第２固定ローラ２２は、繊維供給部１０とアイクチ４０との間の繊維供給路に位置し、繊維供給部１０からこの順で配置される。つまり、第２固定ローラ２２は、繊維供給路において、最もアイクチ４０側に位置する固定ローラである。固定ローラ２１、２２は、繊維供給部１０から巻き出された繊維Ｔを搬送する。本実施形態において、フィラメントワインディング装置１００は、２つの固定ローラ２１、２２を有するが、１つ以上備えていればよく、数はこれに限らない。
【００１４】
クラウンローラ３０は、アイクチ４０と第２固定ローラ２２との間の繊維供給路に位置する。クラウンローラの形状については、後述する。クラウンローラ３０は、繊維Ｔを押し込む方向（−ｚ軸方向）に移動可能である。また、クラウンローラ３０は、クラウンローラ３０の幅方向（ｘ軸方向）の中心における繊維Ｔの送出方向（ｙ軸方向）に沿った軸を中心に揺動が可能である。本実施形態において、「送出方向」とは繊維Ｔが送り出される方向である。
【００１５】
アイクチ４０は、繊維供給部１０とライナー６０との間の繊維供給路に位置する。アイクチ４０は、ローラを用いて繊維供給部１０から供給された繊維Ｔをライナー６０に送出する。繊維Ｔはローラの回転軸に垂直に掛けられている。アイクチ４０は、アイクチ４０の幅方向（ｘ軸方向）の中心における繊維Ｔの送出方向に沿った軸を中心に揺動が可能である。図示の便宜上、図１には、アイクチ４０に備えられたローラの内、一部のローラを示している。
【００１６】
制御部５０は、ＣＰＵとメモリとを備えるコンピュータとして構成されている。ＣＰＵは、メモリに記憶された制御プログラムを実行することにより、クラウンローラ移動機構５１を用いてクラウンローラ３０の動作を制御し、アイクチ移動機構５２を用いてアイクチ４０の動作を制御する。なお、制御部５０は、クラウンローラ移動機構５１およびアイクチ移動機構５２の制御の一部又は全部をハードウェア回路で実現してもよい。
【００１７】
クラウンローラ移動機構５１は、クラウンローラ３０のｚ軸方向への移動や、揺動を行わせる機構である。クラウンローラ移動機構５１は、例えば、クラウンローラ３０をｚ軸方向へ移動させるためのカムフォロアと、カムフォロアのｚ軸方向への案内を溝で行う溝カムとで構成されたカム機構や、アイクチ４０の揺動軸の動きをベルトとプーリーを介して一定の減速比でクラウンローラ３０の揺動軸に伝達する機構を備える。アイクチ移動機構５２は、電動アクチュエータ等を用いてアイクチ４０の揺動を行わせる機構である。
【００１８】
図２および図３は、ライナー６０に巻き付けるために繰り出した繊維Ｔの説明図である。図２は、アイクチ４０の揺動角が０度の場合の繊維Ｔを示しており、図３は、アイクチ４０の揺動角が揺動角θｅ（０度以上）の場合を示している。本実施形態において「揺動角」とは、アイクチ４０が回転した角度のことである。図２および図３の上段には繊維Ｔの斜視図を示し、中段には繊維Ｔを送出方向（ｙ軸方向）から見た断面図を示し、下段にはクラウンローラ３０がある場合に繊維Ｔを送出方向（ｙ軸方向）から見た断面図を示す。
【００１９】
図２に示すように、アイクチ４０が揺動しない場合は、繊維Ｔの幅方向（ｘ軸方向）の各位置における繊維Ｔの長さ（以下、「経路長」ともいう）は、いずれの位置においても距離Ｌである。例えば、繊維Ｔの幅方向における中央の位置ｘｃにおける経路長と、繊維Ｔの幅方向における端部の位置ｘｅにおける経路長は共に距離Ｌである。
【００２０】
図３に示すように、アイクチ４０が揺動した場合、位置ｘｅにおける経路長の距離Ｌ１は位置ｘｃにおける経路長の距離ＬよりもΔＬ１長くなる。つまり、距離Ｌ１と距離Ｌとの関係は次の式（１）で表すことができる。
【００２１】
【数１】
2020033147.tif 000003
【００２２】
なお、距離Ｌ１は、次の式（２）で表すことができる。
【００２３】
【数２】
2020033147.tif 000004
【００２４】
ここで、ｘは、繊維Ｔの幅方向における揺動の中心の位置、つまり、繊維Ｔの幅方向における中央の位置ｘｃからの距離である。上述した式（１）、（２）よりΔＬ１は次の式（３）で求めることができる。
【００２５】
【数３】
2020033147.tif 000005
【００２６】
図３の下段および図４に示すように、クラウンローラ３０を繊維Ｔに押し込むことで、位置ｘｃにおける経路長の距離Ｌ２は距離ＬよりΔＬ２長くすることができる。つまり、距離Ｌ２と距離Ｌとの関係は次の式（４）で表すことができる。
【００２７】
【数４】
2020033147.tif 000006
【００２８】
なお、距離Ｌ２は、次の式（５）で表すことができる。
【００２９】
【数５】
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【００３０】
図４は、クラウンローラ３０が繊維Ｔを押し込んだ状態を示す説明図である。図４には、繊維Ｔの幅方向（ｘ軸方向）から見たクラウンローラ３０を示す。距離Ｌ２は距離Ｌ２１と距離Ｌ２２を足し合わせた距離である。ここで、Ｌｃは、位置ｘｃにおける繊維Ｔの端部からクラウンローラ３０までの距離であり、ｅはクラウンローラ３０が繊維Ｔを押し込む量（距離）である。上述した式（４）、（５）よりΔＬ２は次の式（６）で求めることができる。
【００３１】
【数６】
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【００３２】
図５は、クラウンローラ３０の説明図である。本実施形態において、クラウンローラ３０は、上述した式（３）におけるΔＬ１と上述した式（６）におけるΔＬ２とが等しくなるように、繊維Ｔの幅方向における位置ｘｎにおいて繊維Ｔを押し込み量ｅ押し込む形状である。
【００３３】
図６は、本実施形態におけるライナー６０に対する繊維Ｔの巻き付け処理の一例を示したフローチャートである。この処理はフィラメントワインディング装置１００の動作中、制御部５０により繰り返し実行される処理である。
【００３４】
まず、制御部５０は、ステップＳ１００において、低角度ヘリカル巻きを行うか否か判定する。低角度ヘリカル巻きである場合、制御部５０は、ステップＳ１１０の処理に進む。一方、低角度ヘリカル巻きでない場合、つまり、高角度ヘリカル巻きやフープ巻きである場合、制御部５０は、ステップＳ１１５に進み、クラウンローラ３０が繊維Ｔに接触しない位置に退避するようクラウンローラ移動機構５１を制御する。制御部５０は、ステップＳ１１５の処理の次に、ステップＳ１３５に進み、フープ巻きあるいは高角度ヘリカル巻きによるライナー６０への繊維Ｔの巻き付けを開始する。
【００３５】
制御部５０は、ステップＳ１１０において、クラウンローラ３０が予め定められた開始角度になるよう、クラウンローラ移動機構５１を制御する。「開始角度」とは、クラウンローラ３０と、アイクチ４０が揺動していない状態の繊維Ｔの幅方向と、が平行になる角度である。次に、制御部５０は、ステップＳ１２０において、クラウンローラ３０が繊維Ｔを押し込む方向（ｚ軸方向）における予め定められた開始位置になるよう、クラウンローラ移動機構５１を制御する。「開始位置」とは、クラウンローラ３０が繊維Ｔの幅方向における端部を押し込まないで接触する位置である。
【００３６】
続いて、制御部５０は、ステップＳ１３０において、低角度ヘリカル巻きによるライナー６０への繊維Ｔの巻き付けを開始する。制御部５０は、ステップＳ１４０において、クラウンローラ３０の制御処理を行う。より具体的には、制御部５０は、クラウンローラ３０をアイクチ４０の揺動によって繊維Ｔの幅方向に生じる経路長の差を打ち消すように移動させるよう、アイクチ４０の揺動に合わせてクラウンローラ移動機構５１を制御する。制御部５０は、クラウンローラ３０がクラウンローラ３０の回転軸と繊維Ｔの幅方向とが平行になるように揺動するようクラウンローラ移動機構５１を制御することが好ましい。アイクチ４０およびクラウンローラ３０の動作は、予めプログラムによって定められている。本実施形態において、制御部５０は、例えば、クラウンローラ３０が次の式（７）によって求められる傾角θｃになるようクラウンローラ移動機構５１を制御する。本実施形態において「傾角」とは、クラウンローラ３０が回転した角度のことである。
【００３７】
【数７】
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【００３８】
ここで、Ｌｐｅは第２固定ローラ２２の中心からアイクチ４０の中心までの距離、Ｌｐｃは第２固定ローラ２２の中心からクラウンローラ３０の中心までの距離である。クラウンローラ移動機構５１は、上述した式（７）を満たすように、ベルトとプーリーとが構成されていてもよい。
【００３９】
また、制御部５０は、クラウンローラ３０の繊維Ｔの幅方向（ｘ軸方向）の中央における、繊維Ｔを押し込む方向（ｚ軸方向）の押し込み量ｄが、上述した式（３）におけるΔＬ１と上述した式（６）におけるΔＬ２とが等しくなるようにクラウンローラ移動機構５１を制御する。押し込み量ｄは、アイクチ４０の揺動角θｅが０度に近づくほど小さくなり、揺動角θｅが大きくなるほど増大する。
【００４０】
続いて、制御部５０は、ステップＳ１５０において、低角度ヘリカル巻きによる繊維Ｔのライナー６０への巻き付けが完了したか否か判定する。巻き付けが完了した場合、制御部５０は、ステップＳ１６０に進み、クラウンローラ３０が繊維Ｔに接触しない位置に退避するようクラウンローラ移動機構５１を制御する。一方、巻き付けが完了していない場合、制御部５０は、ステップＳ１４０の処理に戻る。つまり、制御部５０は、低角度ヘリカル巻きによる巻き付けが完了するまで、揺動制御を続ける。
【００４１】
以上で説明した本実施形態のフィラメントワインディング装置１００によれば、制御部５０がアイクチ４０の揺動に合わせてクラウンローラ３０が移動するようクラウンローラ移動機構５１を制御することによって、繊維Ｔの幅方向の経路長の差が生じることを抑制できる。このため、繊維Ｔの各ローラへの絡まりや繊維幅のバラツキを抑制できる。
【００４２】
Ｂ．その他の実施形態：
上記実施形態では、ライナー６０に、樹脂が含浸された繊維束を巻き付けている。しかし、ライナー６０に巻き付ける繊維はこのような繊維に限らず、種々の繊維を巻き付け可能である。また、巻き付け対象としては、ライナー６０に限らず、種々の物体を対象にすることが可能である。
【００４３】
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、上述した課題を解決するために、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。
【符号の説明】
【００４４】
１０…繊維供給部、２１…第１固定ローラ、２２…第２固定ローラ、３０…クラウンローラ、４０…アイクチ、５０…制御部、５１…クラウンローラ移動機構、５２…アイクチ移動機構、６０…ライナー、１００…フィラメントワインディング装置、Ｔ…繊維
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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