(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
樹脂を含浸させた繊維束を被巻付け部材に巻付けるフィラメントワインディング方法において、前記被巻付け部材に対する前記繊維束の繰出し付近で、該繊維束の幅を連続的に測定し、前記測定結果を記録した繊維束幅線図に基づいて品質の良否を判定することを特徴とするフィラメントワインディング方法。
【請求項２】
繊維束の巻出し量を連続的に測定し、前記測定結果を記録した巻出し量線図に基づいて品質良否を判定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方法。
【請求項３】
繊維束の張力を連続的に測定し、前記測定結果を記録した張力線図に基づいて品質良否を判定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方法。
【請求項４】
樹脂を含浸させた繊維束を、その巻出し量および張力を制御しながら被巻付け部材に巻付けるフィラメントワインディング装置において、前記繊維束を前記被巻付け部材に巻付ける巻付けヘッドに装備される巻付けローラの周辺に、前記繊維束の幅を検出するセンサを、該巻付けローラと一体に移動可能に配設したことを特徴とす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、樹脂を含浸させた繊維束を被巻付け部材に巻付けるフィラメントワインディング方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、燃料電池システムに用いられる水素タンクは、軽量化を図るため、タンク本体の表面を繊維強化プラスチック層（ＦＲＰ層）で被覆して複合構造とすることが多くなっている。そして従来、このような複合構造の水素タンクを製作するには、図６に示されるように、タンク本体（被巻付け部材）１を回転させながらこれに樹脂を含浸させた繊維束（以下、単に繊維束という）２を巻付けるフィラメントワインディング法が一般に用いられている。この場合、同図（Ａ）に示すヘリカル巻きと同図（Ｂ）に示すフープ巻きとを交互に行って、繊維束２をタンク本体１に多層（一例として、７０層）に巻付け、主としてヘリカル巻きしたＦＲＰ層に軸方向応力を、フープ巻きしたＦＲＰ層に半径方向応力をそれぞれ負担させて、所望の耐圧強度を確保するようにしている。
【０００３】
ところで、この種のフィラメントワインディング方法では、繊維束の積層数が多くなるに従って、すなわち巻き径が大きくなるに従って下層の繊維束に配向乱れや座屈などの不具合が生じ易くなり、これを避けるため、巻き径に応じて張力を減少させる制御を行っている（例えば、特許文献１参照）。また、上記したヘリカル巻き（図６（Ａ））においては、タンク本体１の胴部に対する巻付け速度と折返し端部に対する巻付け速度とに大きな差があり、この速度差を解消するため、巻き部位に応じて繊維束の繰出し量を調整する制御を行っている（例えば、特許文献２参照）。
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−２６０２４０号公報
【特許文献２】特開２００５−２５５３５９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
一方、この種のフィラメントワインディング方法により所望の強度を確保するには、被巻付部材に対して繊維束を隙間なく巻付ける必要がある。しかるに、フィラメントワインディング方法においては、巻出し装置から巻付け装置まで種々のローラを通して繊維束が案内され、かつ被巻付け部材と相対移動する、巻付け装置内の巻付けローラを経て繊維束が繰出されるため、何らかの原因で繊維束の幅が変化する。そして、この繊維束の幅が規定幅より狭くなると、例えば、上記した水素タンクにおいては、図７に示すように、被巻付け部材であるタンク本体１上のＦＲＰ層３内に空孔４が発生し、この空孔４が水素タンクの強度（耐圧強度）を低下させる大きな原因になる。
【０００６】
そこで従来は、水素タンクの製作後、抜取りで耐圧試験（破壊試験）を行って、品質の良否を判定するようにしていた。しかし、このような耐圧試験には、大掛かりな設備が必要になることに加え、試験そのものに多くの時間がかかり、試験に要するコスト負担が大きいという問題があった。また、抜取り試験であるため、不良品が発生した場合には、良品を含めてロッド単位で不良判定となり、全体として品質管理に要するコスト負担が極めて大きいという問題があった。
【０００７】
本発明は、上記した従来の問題点に鑑みてなされたもので、その課題とするところは、破壊試験に頼ることなく品質の良否を的確に判断することができるようにし、もって品質管理に要するコスト負担の低減に大きく寄与するフィラメントワインディング方法および装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するための、本発明に係るフィラメントワインディング方法は、樹脂を含浸させた繊維束を被巻付け部材に巻付けるフィラメントワインディング方法において、前記被巻付け部材に対する前記繊維束の繰出し付近で、該繊維束の幅を連続的に測定し、前記測定結果を記録した繊維束幅線図に基づいて品質の良否を判定することを特徴とする。
【０００９】
このように行うフィラメントワインディング方法においては、強度に重大な影響を及ぼす空孔と密接に関係する繊維束の幅を測定して、その測定結果を記録した繊維束幅線図上で品質の良否を判定するので、破壊試験は不要になる。また、被巻付け部材に対する繊維束の繰出し付近で該繊維束の幅を測定するので、十分に精度の高い測定データが得られ、繊維束幅線図上での品質の良否判定に対する信頼性は十分に高いものとなる。
【００１０】
本発明の方法は、上記した繊維束の幅の測定結果を記録した繊維束幅線図上で品質の良否を判定することに加え、繊維束の巻出し量を連続的に測定し、前記測定結果を記録した巻出し量線図に基づいて品質の良否を判定し、あるいは繊維束の張力を連続的に測定し、前記測定結果を記録した張力線図に基づいて品質の良否を判定するようにしてもよく、この場合は、品質保証に対する信頼性がより一層向上する。
【００１１】
一方、上記課題を解決するための、本発明に係るフィラメントワインディング装置は、樹脂を含浸させた繊維束を、その巻出し量および張力を制御しながら被巻付け部材に巻付けるフィラメントワインディング装置において、前記繊維束を前記被巻付け部材に巻付ける巻付けヘッドに装備される巻付けローラの周辺に、前記繊維束の幅を検出するセンサを、該巻付けローラと一体に移動可能に配設したことを特徴とする。
【００１２】
このように構成したフィラメントワインディング装置においては、繊維束を繰出す巻付けローラの周辺に、該巻付けローラと一体に移動可能にセンサを設けたので、品質管理のための繊維束幅線図を正確に求めることができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明に係るフィラメントワインディング方法および装置によれば、被巻付け部材に対する繊維束の繰出し付近で測定して得た繊維束幅線図上で品質管理を行うので、破壊試験を省略でき、品質管理に要するコスト負担が著しく低減する。また、前記繊維束幅線図に加え、巻出し量線図または張力線図上で品質管理を行った場合は、品質保証に対する信頼性がより一層向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明を実施するための最良の形態を添付図面に基づいて説明する。
図１は、本発明に係るフィラメントワインディング装置の全体的構成を示したものである。本実施形態は、前記した燃料電池システム用水素タンクの製造（図６）に適用されるもので、前記樹脂を含浸させた繊維束２をボビン１１から巻出す巻出し装置１０とこの繊維束２を前記タンク本体（被巻付け部材）１に巻付ける巻付け装置３０とから概略構成されている。
【００１５】
巻出し装置１０は、前記ボビン１１のほか、該ボビン１１を回転駆動するモータ（サーボモータ）１２、ボビン１１から巻出された繊維束２にダンサロール１３を介して所定の張力を付与する張力付与手段１４および前記ダンサロール１３の位置を制御する制御手段１５を備えている。
【００１６】
張力付与手段１４は、前記ダンサロール１３を支持し、該ダンサロール１３を一対の支持ローラ１６，１６間の繊維束２に押付けるエアシリンダ１７を備えている。エアシリンダ１７には、エア源１８から圧力制御弁１９を介して所定のエア圧が供給されるようになっており、張力付与手段１４は、このエアシリンダ１７の内圧に応じた押付力でダンサロール１３を繊維束２に押付けることで該繊維束２に所定の張力を付与する。また、制御手段１５は、ダンサロール１３の支軸に一端が連結されたレバー２０と、このレバー２０の他端に連結されたギア対２１と、このギア対２１の回転角を検出する回転角センサ（エンコーダ）２２と、この回転角センサ２２の信号を受けて前記ボビン１１用のモータ１２を制御する制御回路２３とからなっている。制御回路２３は、回転角センサ２２からダンサロール１３の位置情報を取込むことで、ダンサロール１３の位置が所定範囲を超えて変位する場合には、モータ１２の回転を制御してボビン１１からの繊維束２の巻出し量（速度）を調整する。これによってダンサロール１３は、常時エアシリンダ１７の作動範囲内の一定位置を維持し、この結果、繊維束２に対する所定の張力付与が保証される。
【００１７】
一方、巻付け装置３０は、前記タンク本体１を支持し回転および軸方向移動させるワーク支持手段３１と上記巻出し装置１０から送られた繊維束２を前記タンク本体１に向けて繰出す繊維繰出し手段３２とを備えている。ワーク支持手段３１は、ガイドフレーム３３上に配置した案内レール３４に摺動可能に装着され、タンク本体１を両端から脱着可能に挟持するクランプユニット３５と、モータ（サーボモータ）３６を駆動源として作動し、前記クランプユニット３５を前記案内レール３４に沿って往復移動させる送り機構（ボールねじ機構）３７と、モータ（サーボモータ）３８を駆動源として作動し、前記クランプユニット３５を介してタンク本体１を回転させる回動機構３９とからなっている。
【００１８】
繊維繰出し手段３２は、上記ワーク支持手段３１のガイドフレーム３３と平行に延ばされたガイドフレーム４０に摺動可能に装着された巻付けヘッド４１と、モータ（サーボモータ）４２を駆動源として作動し、前記巻付けヘッド４１をガイドフレーム４０に沿って往復移動させる送り機構（ボールねじ機構）４３とからなっている。
【００１９】
巻付けヘッド４１は、図２によく示されるように、上記ガイドフレーム４０に沿って摺動するヘッド本体４４と、このヘッド本体４４内からその摺動方向と直交する方向へ延ばしたガイドバー４５の先端部に取付けられた支持板４６と、この支持板４６と一体のケーシング４７内に軸受４８を介して回動可能に配設された中空ガイド４９と、この中空ガイド４９の先端に一対のブラケット５０（片側は、図示省略）を介して回動可能に支持された巻付けローラ（巻付け治具）５１とを備えている。繊維束２は、ヘッド本体４４の側面に設けられた開口４４ａおよび中空ガイド４９の内部を通して巻付けローラ５１の上に引出される。ここで、前記巻付けローラ５１を支持する支持板４６は、ヘッド本体４４内に配設された図示を略すモータ（サーボモータ）を駆動源として直動する直動部材５２によって前後駆動されるようになっている。また、前記中空ガイド４９は、ヘッド本体４４内に配設された図示を略すモータ（サーボモータ）を駆動源して作動するギヤ機構５３によって回転駆動されるようにようになっている。すなわち、巻付けローラ５１は、前後動可能にかつ旋回可能にヘッド本体４４に搭載されている。
【００２０】
上記巻出し装置１０と巻付け装置３０との間の繊維束２の走行経路には、図１に示されるように、巻出し装置１０からの繊維束２の巻出し量を測定する巻出し量測定手段６０と繊維束２に発生している張力を測定する張力測定手段６１とが配設されている。巻出し量測定手段６０は、繊維束２に接触して回転する回転ローラ６２と回転ローラ６２の回転数から繊維束２の巻出し量を検出する回転センサ（エンコーダ）６３とからなっている。また、張力測定手段６１は、一対のガイドローラ６４間の繊維束２に一方向への押付け力を加える押付けローラ６５とこの押付けローラ６５に加わる付勢力から繊維束２の張力を検出する張力センサ６６とからなっている。
【００２１】
一方、上記巻付け装置３０内の巻付けヘッド４１には、図２によく示されるように巻付けローラ５１から繰出された繊維束２の幅を測定する幅センサ（光センサ）６７が搭載されている。この幅センサ６７は、発光部６７ａと受光部６７ｂとからなっており、これら発光部６７ａと受光部６７ｂとは、前記巻付けローラ５１を支持する一対のブラケット５０間に橋渡した上下一対の取付板６８に相対向して配置されている。したがって、この幅センサ６７は巻付けローラ５１と一体に移動（往復移動、前後動、旋回）する。
【００２２】
本実施形態において、上記巻出し量測定手段６０内の回転センサ６３、張力測定手段６１内の張力センサ６６および巻付けヘッド４１に設けた幅センサ６７の信号は、制御装置７０に送出されるようになっている。制御装置７０は、巻出し装置１０内のモータ１２、張力付与手段１４の圧力制御弁１９、巻付け装置３０内の各種モータ３６、３８、４２等を数値制御（ＮＣ）する機能に加え、前記センサ類６３、６６、６７による測定結果を記憶する機能を有している。また、この制御装置７０には、前記センサ類６３、６６、６７による測定結果を経時的に記録する記録装置７１が付設されている。
【００２３】
以下、上記のように構成したフィラメントワインディング装置によるフィラメントワインディング方法について説明する。
【００２４】
フィラメントワインディング方法の実施に際しては、巻付け装置３０内のワーク支持手段３１のクランプユニット３５に被巻付け部材であるタンク本体１を支持させた後、巻出し装置１０内のボビン１１から樹脂を含浸させた繊維束２を巻出し、該繊維束２を張力付与手段１４を経て巻付け装置３０内の巻付けヘッド４１に誘導し、さらに巻付けローラ５１の上に引出して、その先端部をタンク本体１の所定部位に固定する。
【００２５】
そして、上記した準備完了後、制御装置７０からの巻付け指示で、巻出し装置１０内のモータ１２および巻付け装置３０内の各モータ３６、３８、４２の運転が開始される。すると、タンク本体１が回転および軸方向移動すると共に巻付けローラ５１を有する巻付けヘッド４１がタンク本体１と相対移動（平行移動）し、これによってタンク本体１には繊維束２が巻付けられる。このとき、タンク本体１の両端部は絞り形状となっているので、この両端部に対する巻付けに際しては、巻付けローラ５１が前後動および旋回して巻付け距離および巻付け角度が調整される。これによってタンク本体１には、前出図６に示したヘリカル巻きおよびフープ巻きのパターンで繊維束２が次第に積層され、この巻付けを所定の積層数になるまで繰返すことで、タンク本体１の表面をＦＲＰ層３（図７）で被覆してなる複合構造の水素タンクが完成する。
【００２６】
しかして、上記したタンク本体１に対する繊維束２の巻付けの間、回転センサ６３、張力センサ６６，幅センサ６７によって繊維束２の巻出し量、張力、幅がそれぞれ連続測定されており、これら測定結果は制御装置７０に付設した記録装置７１に記録される。本実施形態においては、上記したように水素タンクが完成した後、この記録装置７１に記録された線図に基づいて品質の良否を判定する。
【００２７】
図３は、幅センサ６７により測定した繊維束２の幅の記録線図（繊維束幅線図）の一例を示したものである。繊維束２の幅は、前出図７に関連して説明したように、タンク本体１上のＦＲＰ層３内に発生する空孔４と関係している。図３の繊維束幅線図において、繊維束２の幅が標準のレベルより大きく落込んでいる（狭くなっている）部分Ｐ１は、水素タンクの強度（耐圧強度）を規格よりも低下させる程度に空孔４（図７）が発生していることを表している。本実施形態においては、事前の調査で繊維束２の幅と空孔４の発生状況との関係を把握し、図３の繊維束幅線図上で繊維束２の幅が標準レベルに対して所定値以上狭くなっている場合は、品質不良と判断する。この場合、幅センサ６７による測定データの精度が問題になるが、本実施形態においては、巻付けローラ５１からの繊維束２の繰出し直後で幅を測定し、かつ巻付けローラ５１と一体に移動する幅センサ６７により幅を測定しているので、十分に精度の高い測定データが得られ、この繊維束幅線図上での品質の良否判定に対する信頼性は十分に高いものとなる。
【００２８】
図４は、回転センサ６３により測定した繊維束２の巻出し量の記録線図（巻出し量線図）の一例を示したものである。上記したタンク本体１に繊維束２をフープ巻およびヘリカル巻する場合（図６）、タンク本体１の両端部の折返し付近で繊維束２の巻出し量は小さく抑えられ、したがって、同図に示すように、巻出し量線図は大きな波を描きながら次第に増加する傾向を示す。本実施形態においては、事前に理想の巻出し量線図（破線で示す）を把握し、実際の巻出し量と理想の巻出し量との差がある値以上に大きくなる部分Ｐ２が存在する場合は、強度低下が懸念されるので、品質不良と判断する。
【００２９】
図５は、張力センサ６６により測定した繊維束２の張力の記録線図（張力線図）の一例を示したものである。前記したようにフィラメントワインディング方法では、繊維束の巻き径に応じて張力を減少させる制御を行っており、したがって、同図に示すように、張力線図は時間の経過とともに次第に小さくなる。本実施形態においては、この張力線図上で張力が標準のレベルに対して大きく変化している部分Ｐ３が存在するか否かを把握し、大きく変化している部分Ｐ３が存在する場合は、強度低下が懸念されるので、品質不良と判断する。
【００３０】
このようにして本実施形態においては、フィラメントワインディング方法の実行中、品質に重大な影響を及ぼす繊維束２の幅、巻出し量、張力を記録して、それらの記録線図上で品質の良否を判定するの、製作された水素タンクに対する耐圧試験を省略でき、品質管理に要するコスト負担が著しく低減する。
【００３１】
なお、上記実施形態においては、巻付けヘッド４１から繊維束２を繰出す巻付け治具として巻付けローラ５１を用いたが、この巻付け治具の種類は任意であり、ローラ対であっても、あるいはアイであってもよい。
【００３２】
また、上記実施形態においては、樹脂を含浸させた繊維束２をボビン１１から巻出すようにしたが、フィラメントワインディング方法としては、巻出し装置１０と巻付け装置３０との間の繊維束２の走行経路の途中で繊維束に樹脂を含浸させる方式もあり、本発明は、当然にこのような方式のフィラメントワインディング方法も含むものである。
【００３３】
さらに、上記実施形態においては、燃料電池システム用水素タンクの製造に適用した例を説明したが、本発明で巻付け対象とする被巻付け部材の種類は任意であり、タンク以外の他の構造物であってもよい。また、ＦＲＰ層単独の構造物の製造に本フィラメントワインディング方法を適用してもよく、この場合は、前記被巻付け部材は、タンク本体１に代わってマンドレルとなる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明にフィラメントワインディング装置の全体的構成を模式的に示す系統図である。
【図２】本フィラメントワインディング装置で装備する巻付けヘッドの要部構造を示す斜視図である。
【図３】本発明に係るフィラメントワインディング方法で得られる繊維束の幅の測定記録の一例を示すグラフである。
【図４】本フィラメントワインディング方法で得られる繊維束の巻出し量の測定記録の一例を示すグラフである。
【図５】本フィラメントワインディング方法で得られる繊維束の張力の測定記録の一例を示すグラフである。
【図６】フィラメントワインディング方法により水素タンクを製造する際の繊維束の巻付け形態を示したもので、（Ａ）はヘリカル巻きの状態を、（Ｂ）はフープ巻きの状態をそれぞれ示す模式図である。
【図７】フィラメントワインディング方法による繊維束の巻付け不具合による空孔の発生状況を示す模式図である。
【符号の説明】
【００３５】
１    タンク本体（被巻付け部材）
２    樹脂を含浸させた繊維束
１０  巻出し装置
１１  ボビン
１４  張力付与装置
３０  巻付け装置
３１  ワーク支持手段
３２  繊維繰出し手段
４１  巻付けヘッド
５１  巻付けローラ（巻付け治具）
６３  回転センサ（巻出し量測定手段）
６６  張力センサ
６７  幅センサ（光センサ）
７０  制御装置
７１  記録装置
【図１】
0004743422.tif 000002
【図２】
0004743422.tif 000003
【図３】
0004743422.tif 000004
【図４】
0004743422.tif 000005
【図５】
0004743422.tif 000006
【図６】
0004743422.tif 000007
【図７】
0004743422.tif 000008