(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の周速度でマンドレル軸部と共に回転するマンドレル胴部に対し、樹脂を含浸させた連続繊維を前記マンドレル胴部の回転軸と平行に往復動させながら巻き付ける管状体の製造方法であって、前記連続繊維を前記マンドレル胴部に供給するフィードローラを前記マンドレル胴部の中央から一端まで平行移動させ、前記マンドレル胴部の前記一端に設けられた折り返し部に前記連続繊維を引っ掛け、前記マンドレル軸部と前記フィードローラの中心軸が平行な状態とし、前記フィードローラの中心軸方向と前記連続繊維の供給方向とが直交した状態で前記マンドレル胴部の前記一端に前記連続繊維を巻き付けた後に、前記フィードローラの中心軸を回転させて前記フィードローラを逆方向へ折り返し移動させることを特徴とする管状体の製造方法。
【請求項２】
前記フィードローラを前記マンドレル胴部の前記一端から中央に向けて移動させると同時または移動させた後に、前記マンドレル胴部の前記一端に前記連続繊維を巻き付ける、請求項１に記載の管状体の製造方法。
【請求項３】
前記フィードローラの中心軸方向と前記連続繊維の供給方向とが直交した状態で、前記フィードローラを前記マンドレル胴部の前記一端から中央に向けて移動させた後に、前記マンドレル胴部の前記一端に前記連続繊維を巻き付ける、請求項２に記載の管状体の製造方法。
【請求項４】
前記折り返し部が複数本の針形状部を備え、該針形状部の針が前記マンドレル胴部の直径の１〜１０％の長さ分だけ突き出しており、前記針の突き出し方向と前記マンドレル胴部の回転軸とがなす突き出し角度をθ（°）としたとき条件式１が充足される、請求項１〜３のいずれかに記載の管状体の製造方法。
［条件式１］
０°＜θ＜９０°
【請求項５】
前記針の直径が２〜５ｍｍである、請求項４に記載の管状体の製造方法。
【請求項６】
前記マンドレル胴部の直径をＤ（ｍｍ）、前記マンドレル軸部の直径をｄ（ｍｍ）としたとき条件式２が充足される、請求項１〜５のいずれかに記載の管状体の製造方法。
［条件式２］
Ｄ／ｄ＜３
【請求項７】
前記マンドレル胴部に巻き付けられた後の前記連続繊維の糸幅が、前記マンドレル胴部に巻き付けられる前の前記連続繊維の糸幅の１０％以下の長さ分だけ収縮した部分の繊維量と投入した繊維量との比率として定義される歩留まりを、前記マンドレル胴部の前記一端に巻き付ける繊維量を少なくすることで９０％以上に保持する、請求項１〜６のいずれかに記載の管状体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維等の強化繊維を用いてフィラメントワインディング法（以下単に「ＦＷ法」と称する）により管状体を製造する製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＦＷ法は、連続した強化繊維（以下単に「連続繊維」と称する）に樹脂を含浸させながら、回転する筒状のマンドレルに適宜の巻き付け角度で連続繊維を巻き付けて所定の形状に成形する方法であり、この方法は、繊維の強度、弾性率を最高限に引き出すことが出来ること、及び積層方向が精密で信頼性が高いこと等の利点がある。そして、ＦＷ法により得られた管状体製品に要求される特性から、マンドレルに対する繊維の巻き付け角度（繊維配向）を適宜選択することが必要とされる。このため巻き付け角度としては、マンドレル軸に平行な０゜から軸に垂直な９０゜までの範囲内で任意に選ぶことができれば好都合である。【０００３】
通常、筒状のマンドレルを用いてＦＷ法により管状体を成形する場合、繊維糸の滑りという問題から連続繊維の巻き付け角度を余り低くはできず、３０°程度が限度であったが、製品に所要の特性を付与するために、巻き付け角度をさらに低角度とすることが要求されることがある。【０００４】
このような低角度の巻き付けを行う場合、図４（ａ）に示すような、樹脂を含浸させた連続繊維をマンドレルに巻き付け、管状体を成形するＦＷ法のマンドレル胴部２０の両端部に滑り止め治具２１を装着し、該滑り止め治具２１を通るように連続繊維をターンさせて適切な角度で巻き付ける成形方法が良く知られている。例えば、この滑り止め治具２１がマンドレル軸部２２にはめ込まれていて、胴部の端部に接触する乾燥木材製のピン付きリングであり、成形体の切断を該ピン付き乾燥木材リングの位置で行うことで管状体を成形する、フィラメントワインディングによる管状体の成形方法に関する技術が提案されている（特許文献１）。【０００５】
この技術では滑り止め治具２１をピン構成とすることで、連続繊維の巻き付けに際し必ず滑り止め治具にかけて巻くので、巻き付け角度をいかなる角度にしても連続繊維が滑ることなく安定した巻き付け操作が可能となるが、ピンに連続繊維を掛けた状態で連続繊維をターンさせるがために、連続繊維の幅方向に余計な引張り張力が作用してしまい、この結果、連続繊維の繊維幅が収縮してしまう。従って、巻き付け終了後に加熱硬化して所望の品質を満足する管状体を得るためには、ピンよりかなり内側の位置で切断しなければならないことから、歩留まりが悪くなるという欠点があった。【０００６】
これを解決するために、歩留まり良くかつ積層状態も良好な低角度の巻き付けを可能とする手段として、滑り止め治具を用いないＦＷ法による成形方法が良く知られている。例えば、図４（ｂ）に示すように、連続繊維２３を直接巻き付けるマンドレル胴部２０に一体的に設けられた軸部２２を可及的に小径として胴部と軸部間に連続繊維の巻き付けを可能とする段部（肩部）２４を設け、好ましくは前記胴部径をＤ、軸部径をｄ、連続繊維の巻き付け角をαとしたとき、数式１を満足するフィラメントワインディング用のマンドレルおよびこれを使用した管状体の成形方法が提案されている（特許文献２）。【０００７】
［数式１］
ｓｉｎα＝ｄ／Ｄ
【０００８】
この技術においては、巻き付け角度αを０°に近づける程、あるいは連続繊維の断裂防止を考慮してマンドレル段部面を曲面に形成する程、やはり繊維の滑りが問題となることがあった。また逆に、段部への巻き付け時に、巻き付け角度αが大きくなる場合に、繊維のマンドレル中央側への滑りが問題となることもあった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特公平６−２６８５８号公報
【特許文献２】特開平３−２８１２２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上記の従来技術の課題を解決するには、いかなる巻き付け角度であっても安定した巻き付けを行うために、マンドレルの両端部に連続繊維の滑りを防止するための滑り止め治具を設ける必要がある。【００１１】
本発明の目的は、上述したような点に鑑み、滑り止め治具を用いたＦＷ法により管状体を製造する場合においても、連続繊維の折り返し時において生じる糸幅の収縮を防ぎ、歩留まりを向上させ、かつ、積層状態も良好な低角度の巻き付けを可能とする、ＦＷ法による管状体の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記の目的を達成するために、本発明は以下（１）〜（７）の手段を採用するものである。【００１３】
（１）所定の周速度でマンドレル軸部と共に回転するマンドレル胴部に対し、樹脂を含浸させた連続繊維を前記マンドレル胴部の回転軸と平行に往復動させながら巻き付ける管状体の製造方法であって、前記連続繊維を前記マンドレル胴部に供給するフィードローラを前記マンドレル胴部の中央から一端まで平行移動させ、前記マンドレル胴部の前記一端に設けられた折り返し部に前記連続繊維を引っ掛け、前記フィードローラの中心軸方向と前記連続繊維の供給方向とが直交した状態で前記マンドレル胴部の前記一端に前記連続繊維を巻き付けた後に、前記フィードローラの中心軸を回転させて前記フィードローラを逆方向へ折り返し移動させることを特徴とする管状体の製造方法。【００１４】
（２）前記フィードローラを前記マンドレル胴部の前記一端から中央に向けて移動させると同時または移動させた後に、前記マンドレル胴部の前記一端に前記連続繊維を巻き付ける、（１）の製造方法。【００１５】
（３）前記フィードローラの中心軸方向と前記連続繊維の供給方向とが直交した状態で、前記フィードローラを前記マンドレル胴部の前記一端から中央に向けて移動させた後に、前記マンドレル胴部の前記一端に前記連続繊維を巻き付ける、（２）の管状体の製造方法。【００１６】
（４）前記折り返し部が複数本の針形状部を備え、該針形状部の針が前記マンドレル胴部の直径の１〜１０％の長さ分だけ突き出しており、前記針の突き出し方向と前記マンドレル胴部の回転軸とがなす突き出し角度をθ（°）としたとき条件式１が充足される、（１）〜（３）の管状体の製造方法。【００１７】
［条件式１］
０°＜θ＜９０°【００１８】
（５）前記針の直径が２〜５ｍｍである、（４）の管状体の製造方法。【００１９】
（６）前記マンドレル胴部の直径をＤ（ｍｍ）、前記マンドレル軸部の直径をｄ（ｍｍ）としたとき条件式２が充足される、（１）〜（５）の管状体の製造方法。【００２０】
［条件式２］
Ｄ／ｄ＜３【００２１】
（７）前記マンドレル胴部に巻き付けられた後の前記連続繊維の糸幅が、前記マンドレル胴部に巻き付けられる前の前記連続繊維の糸幅（基準幅）の１０％以下の長さ分だけ収縮した部分（製品部）の繊維量と投入した繊維量との比率として定義される歩留まりを、前記マンドレル胴部の前記一端に巻き付ける繊維量を少なくすることで９０％以上に保持する、（１）〜（６）の管状体の製造方法。【００２２】
本発明において、「連続繊維」とは、ボビンから引き出されるつなぎ目のない強化繊維のことを意味するが、製品に関係のない部分にかかるのであれば、強化繊維のつなぎが存在しても差し支えない。使用される強化繊維としては、得られる管状体を用いたトルク伝達軸に必要なねじり強度、共振周波数などの特性を満たすために、高強度、高弾性の繊維が望ましく、例えば、炭素繊維やガラス繊維、アラミド繊維、ボロン繊維、セラミック繊維などが好適に用いられ、使用される強化繊維は一種類に限定されず、併用して用いても良い。【００２３】
また、連続繊維に含浸させる「樹脂」としては、エポキシ樹脂、不飽和エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ビニルエステル樹脂などの熱硬化性樹脂が好適に用いられるが、これらの中でも、良好な作業性と成形後の優れた機械特性を得ることができる点を考慮すると、エポキシ樹脂が特に好ましく用いられる。【００２４】
また、「平行に往復動させる」とは、連続繊維をマンドレル胴部に同じ巻き角度、同じ巻き張力で巻き付けるために、フィードローラの移動方向とマンドレル胴部の回転軸方向との間の平行度がズレないように連続繊維を往復動させることをいい、往復動作の向きは正確に平行であることが好ましい。ただし、連続繊維を折り返し部に掛け渡し、フィードローラの中心軸を回転させて逆方向へ折り返す折り返し動作時においては、フィードローラの移動方向とマンドレル胴部の回転軸とが平行になるように連続繊維を往復動させる必要はない。【００２５】
さらに「直交した状態」とは、フィードローラの中心軸方向と連続繊維の供給方向とがなす角度が略直交した状態をいい、直交（９０°）に対して±５°の誤差範囲内に入ることが好ましい。なお、上記直交した状態は、連続繊維をマンドレル胴部の一端に巻き付ける際に保たれていれば良く、折り返し部への連続繊維の掛け渡し時や、フィードローラの中心軸の回転時などにおいては、上記範囲から外れても良い。
【発明の効果】
【００２６】
本発明に係る管状体の製造方法によれば、連続繊維を用いてＦＷ法により管状体を製造するにあたり、マンドレル胴部の両端に連続繊維の滑りを防止するための滑り止め治具を用いる場合においても、連続繊維の折り返し時において生じる糸幅の収縮を防ぎ、歩留まりを向上させ、かつ、積層状態も良好な低角度の巻き付けを行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】（ａ）は本発明に用いられるマンドレルの一例を示す概略正面図であり、（ｂ）は折り返し部材の取付けを説明する概略斜視図である。
【図２】本発明に用いられる針形状部材の針の突き出し量を説明する概略正面図である。
【図３】（ａ）〜（ｄ）は、本発明に用いられるマンドレル胴部の一端での折り返し動作の各ステップを順に説明する概略正面図である。
【図４】（ａ）および（ｂ）は、それぞれ従来技術のマンドレルの例を示す概略正面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下に、本発明の管状体の製造方法の好ましい実施形態を、マンドレル胴部の両端に連続繊維の滑りを防止するための滑り止め治具を用いたＦＷ法によって管状体を製造する場合について、図を参照しながら説明する。
【００２９】
図１（ａ）、（ｂ）は、それぞれ本発明による管状体の製造方法に用いるマンドレルの一例を示す概略正面図および折り返し部材の取付けを説明する概略斜視図である。
【００３０】
図１（ａ）において、マンドレル１には中央の胴部に当たる直線部１０と、その両端軸の方向に一体的に連設される軸部１１（回転軸）が設けられている。この軸部１１の軸部径ｄは、直線部１０の端に十分な広さの段部１２が形成されるように直線部１０の胴部径Ｄよりも小径に構成されている。また、図１（ｂ）に示すように、マンドレル１の直線部１０の両端には、軸部１１の軸部径ｄとほぼ同径の穴を有する折り返し部材１３がこの穴に軸部１１を通じて装着されている。折り返し部材１３は、フィードローラ１４から供給され、マンドレル１に巻き付けられる連続繊維１５の滑りを防止するためのものであり、滑らかに傾斜の付いた折り返し段部１７と、その段部にマンドレル１の軸方向に対して斜め方向に突き出た複数本の針形状部材１６と、マンドレル１の軸部１１より大径な折り返し直線部１８が備えられている。この折り返し部材１３の材質については特に限定されるものではないが、針形状部材１６を固定するための強度や取り扱い上、鉄、アルミ、ステンレス及びそれら合金等の金属製であることが好ましいが、同様の強度を有するものであれば、木材や樹脂等も使用可能である。
【００３１】
この折り返し部材１３を装着したマンドレル１を用いてＦＷ法を実施する場合、まず、直線部１０の両端部に形成されている段部１２に折り返し部材１３を当て止め、装着し固定する。そして、このマンドレル１を所定のＦＷ装置に取り付け、マンドレル１の回転と共にフィードローラ１４から樹脂を含浸させた連続繊維１５を供給し、例えば巻き付け角度がαの巻き付けを行う。マンドレル１に対する連続繊維１５の巻き付けは、図１に示すごとく直線部１０に巻き付けて、マンドレル１の端部に至った連続繊維１５は、折り返し部材１３の針形状部材１６間を通り、続いて折り返し部材１３の折り返し段部１７を経て折り返し直線部１８に連続繊維１５を巻き付けた後に、他の針形状部材間を通って再びマンドレル１の直線部１０に戻り、他端側の折り返し部材１３に向かい、同様にしてターンすることによって行われる。この操作を複数回繰り返して、所望とする巻数・積層数の巻き付けを終了した後、両端部に巻かれた連続繊維１５を切断し取り去ってから、樹脂の加熱硬化を行い、次いでマンドレル１から脱芯することで管状体を得ることができる。
【００３２】
ここで、針形状部材１６は、先端が尖っている部材を意味するが、先端部の形状は連続繊維１５が容易に掛かる形状であれば差し支えない。連続繊維１５の折り返しを複数回繰り返すことで針形状部材１６が折れ易くなり、頻繁に交換しなければならないという事態を回避すること、および、連続繊維１５をマンドレル１に巻き付けた際に繊維間の隙間が大きくなり製品として使用できる部分を減少させないという観点から、係る針形状部材１６の直径は２〜５ｍｍであることが好ましく、３〜４ｍｍであることがより好ましい。なお、針形状部材の材質については、特に限定されるものではないが、取り扱い性や連続繊維１５が複数回巻き付けられても針形状部材１６が折れ曲がらない強度を有するものを選択することが好ましく、折り返し部材１３と同様に、鉄、アルミ、ステンレス及びそれら合金等の金属製が挙げられるが、同様の強度を有するものであれば、木材や樹脂製も使用可能である。また、マンドレル端部での折返し動作において、連続繊維１５がマンドレルの周方向に滑り、巻き付け位置がズレることを防止するという観点から、針形状部材１６は、連続繊維１５の糸幅以下のピッチで配置されていることが好ましい。
【００３３】
さらに、針形状部材１６の針の突き出す方向とマンドレルの中心軸とがなす角度をθ（°）とした場合、フィードローラ１４を回転させる際に連続繊維１５が針形状部材１６から抜け落ちないようにすること、および、フィードローラ１４をマンドレル１に近づけて、フィードローラ１４から供給された連続繊維１５がマンドレル１と接触するまでの距離（フリーレングス）を小さくすることにより、折り返し部材１３に掛かることで収縮する連続繊維１５の糸幅を早期のうちに回復させるという観点から、突き出し角度θ（°）は０°＜θ＜９０°の範囲にあることが好ましく、３０°＜θ＜４５°の範囲にあることがより好ましい。また、図２に示すように針形状部材１６の針の突き出し量Ｌ（ｍｍ）は、同上の観点から、マンドレル１の直線部１０の胴部径Ｄ（ｍｍ）の１〜１０％の長さ分だけ突き出していることが好ましいが、フィードローラ１４をマンドレル１に極力近づけるようにするためには、突き出し量Ｌは胴部径Ｄ（ｍｍ）の１〜５％の長さ分だけ突き出していることがより好ましい。
【００３４】
上述したマンドレル１を用いた管状体の製造方法について、連続繊維の糸幅の収縮を防ぎ、歩留まりを向上させ、かつ積層状態も良好な低角度の巻き付けを可能とする折り返し動作の詳細について、図３を用いてさらに詳しく説明する。
【００３５】
図３（ａ）〜（ｄ）はマンドレル端部での折り返し動作の各ステップを順に説明する概略正面図である。
【００３６】
図３（ａ）に示すように、管状体の製品部となる直線部１０では、マンドレル１の巻き速度に合わせてフィードローラ１４が移動することで、樹脂を含浸させた連続繊維１５の巻き付けを行い、マンドレル端部に装着された折り返し部材１３の針形状部材１６に連続繊維１５を掛け渡してから一度マンドレル１とフィードローラ１４を一旦停止させる。
【００３７】
次いで図３（ｂ）に示すように、フィードローラ１４をマンドレル１の中心軸Ｘ−Ｘとフィードローラ１４の中心軸Ｙ−Ｙが平行となるまで回転させるのと同時に、フィードローラ１４の回転によって生じる連続繊維の弛み分を巻き取るためにマンドレル１も併せて回転させる。このとき、フィードローラ１４を巻き付け角度αの変化分だけマンドレル１の中央方向へ併せて移動させる。このように構成することで連続繊維１５に余分な引張り張力を与えることがなくなり、フィードローラ１４上で連続繊維１５が滑ることによって生じる連続繊維の狭幅化を防ぐことができる。なお、上記実施形態ではフィードローラ１４とマンドレル１の回転と、フィードローラ１４のマンドレル中央方向への移動の動作とを同時に行ったが、これらは同時に行わなくても良く、フィードローラ１４をマンドレル１の中央方向へ移動させた後に、フィードローラ１４とマンドレル１を回転させても良いし、フィードローラ１４を回転させた後にマンドレル１の中央方向に移動させてからマンドレル１を回転させても良いし、または、フィードローラ１４を回転させた後に、フィードローラ１４のマンドレル中央方向への移動とマンドレル１の回転を同時に実施しても良く、フィードローラ１４のマンドレル中央方向への移動を、マンドレル１の回転前もしくは同時に実施することが、連続繊維の狭幅化を防ぐ観点から好ましい。
【００３８】
次いで図３（ｃ）に示すように、フィードローラ１４の中心軸Ｙ−Ｙと前記連続繊維の供給方向とが直交した状態のまま、つまり、マンドレル１の中心軸Ｘ−Ｘとフィードローラ１４の中心軸Ｙ−Ｙが平行な状態のままで、折り返し直線部１８に連続繊維１５を巻き付ける。このように構成することで、連続繊維１５が狭幅化することなく広幅の状態を維持することができる。ここで、連続繊維１５の巻き付け量（巻き付け長さ）は所望する巻き数によって決定される。つまり、マンドレル１の中央方向へ折り返す際の連続繊維１５の次の巻き付け位置が決定しているため、これまでの折り返し動作の中で巻き付け位置がズレた長さ分だけ折り返し直線部１８に巻き付ける。なお、この巻き付け量は、折り返す際の巻き付け位置が合っていれば、折り返し直線部１８に連続繊維１５をマンドレル１の回転の周期分巻き付けても良いが、上記したズレた長さ分のみを巻き付けると最終的に廃棄する繊維量が最も少なくなり歩留まりが向上するため、効果的である。
【００３９】
最後に図３（ｄ）に示すように、マンドレル１の中心軸Ｘ−Ｘとフィードローラ１４の中心軸Ｙ−Ｙが平行な状態から、フィードローラ１４を他端方向の巻き角度となるよう回転させた後に、他端側へ向かってマンドレル１の巻き速度に合わせてフィードローラ１４を移動させる。以上の動作を繰り返して所望の巻き数・積層数の巻き付けを行っていく。
【００４０】
なお、以上の実施形態で説明した、折り返し動作の各ステップは連続的に実施しても良いし、ステップ毎に間欠的に実施しても良い。
【００４１】
また、マンドレル１は、マンドレル１の直線部１０の胴部径をＤ（ｍｍ）、軸部１１の軸部径をｄ（ｍｍ）としたとき、Ｄ／ｄ≧３である場合では、連続繊維１５の断裂防止を考慮してマンドレル１の直線部１０端の段部（肩部）１２を滑らかな曲面形状にしても、連続繊維１５がマンドレル１の中央方向に滑ることなく、この段部１２に巻き付け角度αを保持したまま巻き付けることができるため、マンドレル１に折り返し部材１３が備わっていなくても良い。一方で、自動車や船舶、ヘリコプターなどのトルク伝達軸に好適に用いられるような、Ｄ／ｄ＜３以下のマンドレル１で細径の管状体を製造する場合においては、巻き付け角度αを０°に近づけるほど、連続繊維１５がマンドレル１の中央方向へ滑ってしまうのに対し、上述した製造方法を用いれば、いかなる巻き付け角度であっても安定した巻き付けを行うことが可能であり、かつ糸幅の収縮を防ぎ、歩留まりを向上させることができるため特に有効である。
【００４２】
また、マンドレル１の直線部１０に巻かれる連続繊維１５の糸幅を基準幅とし、この基準幅に対して１０％まで糸幅が収縮する部分を、得られる管状体の製品部とし、投入した連続繊維の繊維量と管状体の製品部となる繊維量との比率を歩留まりとした場合、上述した製造方法を用いることで、針形状部を有する折り返し部材を用いても連続繊維の糸幅が狭幅化することなく、かつ良好な巻き付けを行うことができるため、マンドレルの端部に巻き付けられた繊維量、つまり最終的に切断されて廃棄される繊維量を少なくすることが可能であり、歩留まりを９０％以上にすることができる。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
本発明に係る管状体の製造方法は、車輌、船舶、ヘリコプターなどのトルク伝達軸として用いられる、あらゆる管状体の製造方法に応用することができ、さらにその応用範囲はこれらに限られるものではない。
【符号の説明】
【００４４】
１：マンドレル
１０：直線部
１１：軸部
１２：段部
１３：折り返し部材
１４：フィードローラ
１５：連続繊維
１６：針形状部材
１７：折り返し段部
１８：折り返し直線部
２０：マンドレル胴部
２１：滑り止め治具
２２：マンドレル軸部
２３：連続繊維
２４：段部（肩部）
Ｄ：胴部径
ｄ：軸部径
Ｌ：突き出し量
α：巻き付け角度
θ：突き出し角度
【図１】
0005942989.tif 000002
【図２】
0005942989.tif 000003
【図３】
0005942989.tif 000004
【図４】
0005942989.tif 000005