(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
中央の円筒部と前記円筒部の両端に連続するドーム部を一体に備えたマンドレルを支持する支持台と、前記マンドレルへ向かって繊維束を供給案内するヘリカル巻ヘッドを備えているフィラメントワインディング装置であって、
前記ヘリカル巻ヘッドは、前記マンドレルの周囲に同心円状に支持されるガイドリングと、前記ガイドリングの周方向に沿って放射状に配置される一群のガイド筒と、前記ガイド筒を筒軸心方向に沿って往復操作する筒操作機構とを備えており、
前記ガイド筒が前記マンドレルのドーム部と対向する状態において、前記ガイド筒を筒操作機構で前記ドーム部の周面へ向かって接近操作できることを特徴とするフィラメントワインディング装置。
【請求項２】
前記ガイド筒が前記筒操作機構で前記ドーム部の周面へ向かって接近操作されるときの移動軌跡が、前記マンドレルのドーム部の外郭線に沿って湾曲線状に設定してある請求項１記載のフィラメントワインディング装置。
【請求項３】
基台に立設固定した固定フレームに前記マンドレルの往復移動を許す円形の開口が形成され、前記開口の周縁壁に前記ガイドリングが固定されており、
前記ガイド筒に設けた筒ホルダーが、前記ガイドリングに設けたガイド溝で往復スライド自在に支持されており、
前記固定フレームと前記筒ホルダーとの間に前記筒操作機構が設けてある請求項１または２記載のフィラメントワインディング装置。
【請求項４】
前記筒操作機構が、前記筒ホルダーに設けられるラックと、前記ラックに噛み合うピニオンと、モーターの回転動力を前記一群のピニオンに伝動する動力伝動機構と、モーターの駆動状態を制御する制御回路を含んで構成してある請求項１記載の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、ヘリカル巻装置を備えているフィラメントワインディング装置に関し、ガイドリングおよび同リングに設けられるガイド筒で構成される繊維束の供給構造を改良したものである。
【背景技術】
【０００２】
フィラメントワインディング法で圧力容器を形成する場合には、中空のマンドレルと、マンドレルの周面に巻装される補強層とで形成する。多くの場合マンドレルは、中央の円筒部と、円筒部の左右両端に連続するドーム部とを一体に備えており、円筒部および左右のドーム部のそれぞれに繊維束を巻き付けて補強層が形成される。繊維束は、例えば特許文献１のワインディング装置に見られるように多数個のガイド体を介してマンドレルへ供給される。ガイド体はマンドレルの軸心に沿って往復スライドする配列ヘッドに設けられて、マンドレルの周囲に分散配置してある。ガイド体で移行案内された繊維束は、マンドレルと同心状に配置した開繊リングを介してマンドレルに供給される。ワインディング装置の稼動時には、マンドレルを回転駆動しながら、配列ヘッドを往復操作することにより、ガイド筒から供給される繊維束をマンドレルに巻き付けて補強層を形成できる。
【０００３】
本発明に関して、マンドレルに対する繊維束の供給位置を変更可能とすることは特許文献２に公知である。そこでは、マンドレルの円筒部に繊維束を巻き付ける場合と、ドーム部に繊維束を巻き付ける場合とで、給糸ユニットを回転変位させて繊維束の供給位置を変更できるようにしている。給糸ユニットは、回転自在に支持される支持部と、支持部の先端に設けられる出口ガイドなどで構成してあり、出口ガイドが回転変位する分だけ、繊維束の供給位置を変更できる。同様に、繊維束をマンドレルへ向かって供給案内するフィードアイを、マンドレルのドーム部においてマンドレルの半径方向へ変位操作することが公知である（特許文献３参照）。いずれの場合も、出口ガイドおよびフィードアイの変位量は、ごく限られた量にしかならない。
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−３１４５５０号公報（段落番号００２３、図２）
【特許文献２】特開２００５−１５４９０８号公報（段落番号００３９、図１）
【特許文献３】特開２００２−４６９４０号公報（段落番号００２０、図２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献２、３に係るワインディング装置は、回転駆動されるマンドレルと、マンドレルの軸心に沿って往復操作される１個の給糸ユニット（またはフィードアイ）との協同作用によって、繊維束をマンドレルの周面に巻き付ける。そのため、フープ巻やヘリカル巻を繰り返し行って補強層を形成するのに多くの時間を要し、圧力容器などを能率よく形成することができない。その点、特許文献１のように一群の繊維束をマンドレルへ同時に供給する形態のフィラメントワインディング装置によれば、ワインディング処理をより短時間で行うことができ、その分だけ圧力容器などを能率よく製造できる。
【０００６】
しかし、特許文献１のワインディング装置においては、開繊リングを介して繊維束をマンドレルに供給するので、マンドレルに対する繊維束の供給位置が、円筒部であってもドーム部であっても常に一定となる。そのため、ドーム部に繊維束を巻き付けるとき、一群の繊維束を整然と巻き付けるのが困難になる。半球状のドーム部では、マンドレルの直径が口部へ近づくに従って徐々に小さくなり、繊維束の巻付軌跡が口部側へずれる傾向があるからである。
【０００７】
本発明の目的は、マンドレルに対する繊維束のワインディング処理を短時間で能率よく行うことができ、しかも繊維束の供給位置をマンドレルの円筒部とドーム部とで変更可能として、ドーム部に対する繊維束の巻き付けを整然と行えるフィラメントワインディング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】
本発明のフィラメントワインディング装置は、マンドレルを支持する支持台と、マンドレルへ向かって繊維束を供給案内するヘリカル巻ヘッドを備えている。ヘリカル巻ヘッドは、マンドレルの周囲に同心円状に支持されるガイドリングと、ガイドリングの周方向に沿って放射状に配置される一群のガイド筒と、ガイド筒を筒軸心方向に沿って往復操作する筒操作機構とを備えている。以て、ガイド筒がマンドレルのドーム部と対向する状態において、ガイド筒を筒操作機構でドーム部の周面へ向かって接近操作できることを特徴とする。
【０００９】
ガイド筒が筒操作機構でドーム部の周面へ向かって接近操作されるときの移動軌跡を、マンドレルのドーム部の外郭線に沿って湾曲線状に設定する。
【００１０】
基台に立設固定した固定フレームにマンドレルの往復移動を許す円形の開口を形成し、この開口の周縁壁にガイドリングを固定する。ガイド筒に設けた筒ホルダーは、ガイドリングに設けたガイド溝で往復スライド自在に支持する。固定フレームと筒ホルダーとの間に筒操作機構を設ける。
【００１１】
筒操作機構は、筒ホルダーに設けられるラックと、ラックに噛み合うピニオンと、モーターの回転動力を一群のピニオンに伝動する動力伝動機構と、モーターの駆動状態を制御する制御回路を含んで構成する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明では、ガイドリングと、ガイドリングの周方向に配置される一群のガイド筒と、ガイド筒を往復操作する筒操作機構などでヘリカル巻ヘッドを構成し、一群の繊維束をマンドレルへ同時に供給しながらワインディング処理を行えるようにした。また、ガイド筒がマンドレルのドーム部と対向する状態において、ガイド筒を筒操作機構でドーム部の周面へ向かって接近操作して、ドーム部の周面近傍で繊維束を供給できるようにした。このようにガイド筒を接近させてドーム部の周面近傍で繊維束を供給すると、ドーム部における繊維束の巻付位置とガイド筒との間の距離を小さくできるので、繊維束を適正な巻付軌跡に従って整然と巻き付けることができる。したがって、本発明のフィラメントワインディング装置によれば、マンドレルに対する繊維束のワインディング処理を能率よく行いながら、ドーム部に対する繊維束の巻き付けを整然と行って高品位の補強層を形成できる。
【００１３】
筒操作機構で接近操作されるときのガイド筒の移動軌跡を、マンドレルのドーム部の外郭線に沿って湾曲線状に設定すると、ドーム部の形状変化に一致する状態でガイド筒を出退移動できる。これにより、ドーム部におけるガイド筒とドーム部との間隔を常に一定にでき、したがって、ドーム部における繊維束の巻付処理をさらに適正に行える。なお、ガイド筒の移動軌跡を直線状に変化させる場合には、ガイド筒とドーム部との間隔が連続して変化するのを避けられず、繊維束の巻付位置がずれやすい。
【００１４】
ガイド筒と一体の筒ホルダーを、ガイドリングのガイド溝でスライド自在に支持し、固定フレームと筒ホルダーとの間に筒操作機構を設けると、ガイド筒の周囲に機器類が集約配置されるのを避けて、ガイド筒の周囲構造を簡素化できる。例えば、固定フレームの面壁を利用して筒操作機構を分散配置することにより、ガイド筒の周囲構造を簡素化し、機器類の集約を阻止できる。ガイド筒の周囲構造が簡素化されていると、繊維束のセッティングや交換などの作業を、先の機器類に邪魔されることもなく容易に行うことができる。
【００１５】
筒ホルダーに設けたラックと、ラックを往復操作するピニオンと、モーター動力をピニオンに伝動する動力伝動機構などで構成した筒操作機構によれば、一群のガイド筒を同期した状態で一斉に出退移動させて、繊維束の供給位置を変更できる。したがって、個々のガイド筒における繊維束供給位置のばらつきがなく、繊維束の巻付処理をさらに整然と行って補強層を高品位化できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
（実施例）  図１ないし図９は本発明に係るフィラメントワインディング装置（以下単にワインディング装置と言う）の実施例を示す。図２および図３においてワインディング装置は、図示していない繊維束供給構造と、巻付装置とで構成する。巻付装置は、左右に長い基台１の上部に配置されてマンドレルＭを支持する支持台２と、フープ巻装置と、ヘリカル巻装置と、図示していないマンドレル交換装置などで構成する。支持台２およびフープ巻装置は、それぞれ図示していない駆動機構で基台１の長手方向に沿って往復駆動できる。ヘリカル巻装置は、基台１の中央位置に配置してあり、先の繊維束供給構造で支持された一群のクリールから送給される繊維束ＲをマンドレルＭに送給案内する。
【００１７】
最終製品が圧力容器である場合のマンドレルＭは、高強度アルミニウム材、ステンレス材などの金属製容器からなる。必要があれば、プラスチック製の容器でマンドレルＭを構成することもある。この実施例ではマンドレルＭが、図２に示すように中央の円筒部ｍ１と、円筒部ｍ１の左右両端に連続するドーム部ｍ２と、ドーム部ｍ２の頂部に突設される口部とを一体に備えている場合について説明する。繊維束Ｒは、例えばガラス繊維や炭素繊維の束からなり、先のクリールに巻き込まれた状態の繊維束Ｒには、予め熱硬化性樹脂が含浸させてある。なお、クリールから繰り出された繊維束Ｒに樹脂を含浸させたのち、ヘリカル巻装置に送給してもよい。
【００１８】
支持台２は、基台１上の前後一対のレール７で移行案内されるベース８と、ベース８の両側端に立設される支持腕９・９と、両支持腕９・９の上端対向面に設けられるチャック１０などで構成する。マンドレルＭの左右両側には一対の取付治具１１が固定してあり、これらの取付治具１１を先のチャック１０で掴み固定することにより、マンドレルＭが左右の支持腕９・９の間に支持される。片方のチャック１０は、図示していない駆動構造で回転駆動されてマンドレルＭを同行回転させる。両支持腕９・９は、マンドレルＭの交換を容易化するために、ベース８に対して起立姿勢から横臥姿勢へ倒伏できるように組み付けてある。
【００１９】
フープ巻装置は、基台１上のレール１４で移行案内されるフレーム１５と、フレーム１５で回転自在に支持される円盤状の巻掛テーブル１６と、巻掛テーブル１６を回転駆動する駆動機構（図示していない）などで構成する。巻掛テーブル１６の一側には、フープ巻時に繊維束を供給する複数個のボビン１７が、テーブル周縁に沿って等間隔おきに配置してある。巻掛テーブル１６の板面中央には、マンドレルＭの往復移動を許す円形の開口が形成してある。この開口の開口面とマンドレルＭとが直交する状態で、巻掛テーブル１６を回転駆動しながらフープ巻装置の全体を往復移動させることにより、マンドレルＭの周面にフープ巻層を形成することができる。
【００２０】
図２ないし図４においてヘリカル巻装置は、基台１に立設される固定フレーム２０と、固定フレーム２０で支持されるヘリカル巻ヘッド２１と、繊維束の一群をヘリカル巻ヘッド２１へ向かって変向案内するガイドローラー２２などで構成する。固定フレーム２０の板面中央には、マンドレルＭの往復移動を許す円形の開口２０ａが形成され（図１参照）、開口２０ａの周囲の板面に先のガイドローラー２２が配置してある。繊維束供給構造から供給された繊維束Ｒは、固定フレーム２０の前後両側に配置した変向ローラー２３で、ヘリカル巻装置へ向かって案内されたのち、張力調整構造２４とガイドローラー２２を経由してヘリカル巻ヘッド２１へと送給される。
【００２１】
ヘリカル巻ヘッド２１は、前記開口２０ａの一側周縁壁に固定されるガイドリング２７と、ガイドリング２７の周方向に沿って等間隔おきに放射配置される一群のガイド筒２８と、ガイド筒２８を放射方向に往復操作する筒操作機構とで構成する。図４に示すように、先の張力調整構造２４を通過した繊維束Ｒは、ガイドローラー２２を介して一群のガイド筒２８へ移行案内される。この実施例では、図面を簡略化するためにガイドリング２７に装着されるガイド筒２８の数を１２個に限っているが、実際には数十個から百数十個もの一群のガイド筒２８をガイドリング２７に装着する。なお、ヘリカル巻を行う場合の繊維束Ｒの適正本数は、マンドレルＭの直径寸法と、繊維束Ｒの巻付幅および巻付角度を変数にして算出することができる。
【００２２】
ガイド筒２８は直線状の丸筒からなり、ガイド筒２８と一体に設けた筒ホルダー２９を介して、先のガイドリング２７で放射方向へ往復スライド自在に支持されている。図５に示すように筒ホルダー２９は、上下に長い金属ブロックからなり、その一側端にガイド筒２８が固定され、他側端に断面台形状のスライド枠３０が一体に形成してある。筒支持ベース２９の背面側には上下に長いラック３１が固定してある。先のスライド枠３０を、ガイドリング２７に設けた放射方向のガイド溝で３３往復スライド自在に支持することにより、ガイド筒２８は筒ホルダー２９に同行して放射方向へ出退スライドできる。
【００２３】
ガイド筒２８をスライド操作するために、固定フレーム２０と筒ホルダー２９との間に先の筒操作機構を設けている。図５ないし図７において筒操作機構は、先に述べたラック３１と、ラック３１に噛み合うピニオン３５と、モーター３６の回転動力を一群のピニオン３５に同時に伝動する動力伝動機構３７と、モーター３５の駆動状態を制御する制御回路３８（図８）などで構成する。
【００２４】
図８に示すように、動力伝動機構３７は、各ピニオン３５に対応して設けられる一群のタイミングギヤ４１と、モーター３６の回転動力を出力する駆動ギヤ４２と、これらのギヤ４１・４２に巻き掛けられるタイミングベルト４３などで構成する。周方向へ隣接するタイミングギヤ４１の間には、ガイドプーリー４４が回転自在に軸支してある。ピニオン３５とタイミングギヤ４１とは、固定フレーム２０を厚み方向へ貫通するギヤ軸４５の両端に固定してあり、ギヤ軸４５は、固定フレーム２０に装着したベアリング４６で回転自在に支持してある（図７参照）。したがって、モーター３６を正転駆動し、あるいは逆転駆動することにより、一群のピニオン３５を同時に駆動して、筒ホルダー２９をマンドレルＭに接近する方向、あるいはマンドレルＭから離れる方向へスライド操作することができる。
【００２５】
制御回路３８には、マンドレルＭの直径と、円筒部ｍ１の長さと、ドーム部ｍ２の湾曲形状などの基本データが予め入力してある。また、ワインディング処理が進行するのに伴って、マンドレルＭの周囲に形成されたフープ巻層の合計厚みデータや、ヘリカル巻層の合計厚みデータなどが制御回路３８に蓄積される。制御回路３８は、先の基本データと、繊維束ＲのマンドレルＭに対する巻き付け動作の進行状況との関連で、モーター３６の駆動状態を制御する。
【００２６】
以下に、ワインディング装置の巻き付け動作を説明する。フープ巻を行う場合には、巻掛テーブル１６をマンドレルＭの円筒部ｍ１の一側端に位置させ、各ボビン１７から繰り出された繊維束Ｒを、粘着テープでマンドレルＭの表面に固定する。この状態で、巻掛テーブル１６を回転駆動しながら、フレーム１５をマンドレルＭの円筒部ｍ１の他側端へ向かって移動させて、一層めのフープ巻層Ｈ１を形成する。引き続き、フレーム１５をマンドレルＭの円筒部ｍ１の一側端（巻付始端側）へ反転移動させることにより、二層めのフープ巻層Ｈ１を形成できる。さらにフープ巻層Ｈ１を形成する場合には、先と同様にして巻き付け処理を必要回数行う。
【００２７】
フープ巻層Ｈ１の外面にヘリカル巻層Ｈ２を形成する場合には、図２に示すようにフープ巻装置を基台１の一側端に退避させる。また、支持台２を移動操作して、マンドレルＭの口部の基端をヘリカル巻装置のガイドリング２７の内面に臨ませ、各ガイド筒２８から引き出された繊維束Ｒを粘着テープで口部の周面に固定する。この状態でチャック１０およびマンドレルＭを回転駆動しながら支持台２を一定速度で移動させて、図３に示すように先のフープ巻層Ｈ１の外面にヘリカル巻層Ｈ２を形成する。
【００２８】
ヘリカル巻層Ｈ２を形成する過程において、繊維束ＲをマンドレルＭの円筒部ｍ１とドーム部ｍ２に対して等しい条件で供給するために、筒ホルダー２９を筒操作機構で出退操作する。マンドレルＭの円筒部ｍ１に繊維束Ｒを巻き付ける状態では、筒ホルダー２９が図１および図５に示す待機状態に保持されて、ガイド筒２８とマンドレルＭとの間に適量の間隔が確保される。また、円筒部ｍ１に連続してドーム部ｍ２に繊維束Ｒを巻き付ける状態では、モーター３６を駆動して筒ホルダー２９をドーム部ｍ２の周面へ向かって接近移動させ、図９に示すようにガイド筒２８とマンドレルＭとの間に適量の間隔を確保する。
【００２９】
さらに、マンドレルＭがそれまでとは逆向きに移動されるのに連動して、モーター３６を逆転駆動して筒ホルダー２９をドーム部ｍ２の周面から離れる向きに移動させる。これにより、ガイド筒２８が円筒部ｍ１と対向する状態では、筒ホルダー２９は先に説明した待機状態に復帰して、再びガイド筒２８とマンドレルＭとの間に適量の間隔が確保される。以後、上記の動作を繰り返し行うことにより、フープ巻層Ｈ１の外面に所定厚みのヘリカル巻層Ｈ２を形成することができる。
【００３０】
上記のように、円筒部ｍ１におけるガイド筒２８とマンドレルＭとの間隔と、ドーム部ｍ２におけるガイド筒２８とマンドレルＭとの間の間隔を一致させることにより、ガイド筒２８の移動軌跡をドーム部ｍ２の外郭線に沿う湾曲線状に設定することができる。例えば、ドーム部ｍ２が半球状である場合には、ガイド筒２８の移動軌跡は部分円弧状になる。ワインディング処理が進行するのに伴い、マンドレルＭの円筒部ｍ１の直径寸法は徐々に大きくなる。こうした円筒部ｍ１の直径寸法の増加に対応して、待機状態におけるガイド筒２８の保持位置を徐々に径方向外側へずらすことができる。
【００３１】
一連のヘリカル巻処理が終了したら、繊維束Ｒを切断したのち、切断端を口部に粘着テープで固定する。以上のようにして、フープ巻とヘリカル巻とを交互に行ったのち、マンドレルＭを支持台２から取り外して加熱処理し、繊維束Ｒに含浸させた樹脂を硬化させることにより、補強層とマンドレルＭとからなる圧力容器が得られる。
【００３２】
図１０は筒操作機構の別の実施例を示す。そこでは、先の動力伝動機構３７で回転駆動される雌ねじ体４８と、ガイド筒２８の筒周面に設けられて雌ねじ体４８のねじ穴４９にねじ込まれるねじ軸５０と、ガイド筒２８を回り止めするピン状の回転規制体５１などで筒操作機構を構成する。雌ねじ体４８はガイドリング２７で回転自在に支持されており、その上面に傘歯車５２が一体に形成してある。傘歯車５２は先の実施例におけるギヤ軸４５に固定した傘歯車５３と噛み合っている。回転規制体５１はガイド筒２８の上端に固定されて、その突端が固定フレーム２０に設けた縦長の掛止溝５４に係合してある。他は先の実施例と同じであるので、同じ部材に同じ符号を付してその説明を省略する。
【００３３】
図１１は筒操作機構のさらに別の実施例を示す。そこでは筒操作機構をエアーシリンダー５５で構成して、個々のガイド筒２８をエアーシリンダー５５で出退操作できるようにした。エアーシリンダー５５は、ガイドリング２７に倒立姿勢で装着されて、ピストンロッドの下端に固定した連結板５６を介してガイド筒２８と連結してある。このように筒操作機構をエアーシリンダー５５で構成すると、ガイド筒２８を迅速に出退操作して応答速度を向上でき、その分だけ繊維束Ｒを能率よく巻き付けることができる。なお、この実施例においては、筒操作機構がガイドリング２７とガイド筒２８との間に設けられることになる。
【００３４】
上記の実施例では、制御回路３８に入力したマンドレルＭの形状データや、フープ巻層、およびヘリカル巻層の合計厚みデータなどに基づいてモーター３６の駆動状態を制御するようにしたが、その必要はない。例えば、マンドレルＭの周面に接触するセンサーからの出力信号に基づいてモーター３６の駆動状態を制御することができる。非接触センサーでマンドレルＭの形状変化を検知してもよい。必要があれば、ガイド筒を円筒部において出退操作して、繊維束Ｒの供給位置を変更することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】ヘリカル巻ヘッドの概略構造を示す、図６におけるＢ−Ｂ線断面図である。
【図２】フィラメントワインディング装置の正面図である。
【図３】フィラメントワインディング装置の平面図である。
【図４】図３におけるＡ−Ａ線断面図である。
【図５】筒操作機構を示す縦断正面図である。
【図６】筒操作機構を示す縦断側面図である。
【図７】図６におけるＣ−Ｃ線断面図である。
【図８】動力伝動機構の概略を示す側面図である。
【図９】ガイド筒がドーム部に接近した状態を示す縦断正面図である。
【図１０】筒操作機構の別の実施例を示す縦断正面図である。
【図１１】筒操作機構のさらに別の実施例を示す縦断正面図である。
【符号の説明】
【００３６】
２  支持台
２０  固定フレーム
２１  ヘリカル巻ヘッド
２７  ガイドリング
２８  ガイド筒
２９  筒ホルダー
３０  スライド枠
３１  ラック
３５  ピニオン
３６  モーター
３７  動力伝動機構
Ｍ  マンドレル
Ｒ  繊維束
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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