(57)【要約】【課題】繊維滑りを迅速且つ正確に検出することができ、繊維束を予め設定された設計経路上に巻き付けることができるフィラメントワインディング装置を提供する。【解決手段】フィラメントワインディング装置１は、繰出手段２２から被巻付部材Ｗに繰り出される繊維束Ｆをカメラ２５で撮影し、その撮影した繊維束Ｆの画像３１に基づいて繊維束Ｆの拡幅や割れを検出し、繊維束Ｆに繊維滑りが発生しているか否かを判定する。これにより、迅速且つ正確に繊維滑りを判定することができる。また、カメラ２５によって繊維束Ｆから離れた位置から撮影することで、アイ口２３ａをタンク本体Ｗに接近させることができ、繊維束Ｆを被巻付面Ｗａの予め設定された設計経路上に巻き付けることができる。【選択図】図２
2009291981.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被巻付部材を回転させながら該被巻付部材の表面に繊維束を巻き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部材に向けて繰り出す繰出手段と、
該繰出手段から繰り出される前記繊維束を撮影するカメラと、
該カメラで撮影した前記繊維束の画像に基づいて前記繊維束に繊維滑りが発生しているか否かを判定する判定手段と、
を備えた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】
前記判定手段は、
前記繊維束の画像に基づいて前記繊維束の繊維幅を検出し、該繊維幅と予め設定された幅閾値とを比較して、前記繊維幅が前記幅閾値を超える場合に繊維滑りが発生したと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装置。
【請求項３】
前記判定手段は、
前記繊維束の画像に基づいて前記繊維束の繊維間の隙間を検出し、該隙間と予め設定された隙間閾値とを比較して、前記隙間が前記隙間閾値を超える場合に、繊維滑りが発生したと判定することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のフィラメントワインディング装置。
【請求項４】
前記繰出手段は、複数の繊維束を幅方向に並べて一本の幅広な帯状の繊維束として繰り出すヘッドを備えることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一つに記載のフィラメントワインディング装置。
【請求項５】
前記繰出手段は、前記ヘッドを前記被巻付部材の被巻付面に沿って前記被巻付部材の軸方向に往復移動させる移動手段を備え、
前記カメラは、前記移動手段によって前記ヘッドと一体に移動可能に設けられていることを特徴とする請求項４に記載のフィラメントワインディング装置。
【請求項６】
前記カメラは、前記繊維束の上方に配置され、該繊維束を上方から撮影する構成を有することを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一つに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、繊維束をマンドレルに巻き付けるフィラメントワインディング装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、燃料電池電気自動車は、水素と空気中の酸素を電気化学的に反応させて発電する燃料電池を搭載しており、燃料電池が発電した電気をモータに供給して走行するようになっている。燃料電池電気自動車には、高圧の水素ガスが充填される水素タンクが搭載されており、その水素タンクは、軽量化及び強度向上を図るべく、樽状のタンク本体の外面が繊維強化樹脂層で覆われた複合構造を有している。
【０００３】
このような複合構造のタンクを製造する方法として、タンク本体をマンドレルとして回転させながらこれに樹脂を含浸させた繊維束を巻き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。
【０００４】
しかしながら、フィラメントワインディング法では、タンク本体に繊維束を巻き付けた際に、繊維束の一部や、複数の繊維束のうちの一部の繊維束が、被巻付面であるタンク本体の表面に適切に巻き付けられず、予め設定された設計経路から外れる、いわゆる繊維滑りを発生する場合がある。
【０００５】
このような繊維滑りは、既にタンク本体に巻き付けられている繊維束から滲み出した樹脂の上に新たに巻き付けられた繊維束が滑ることが原因の一つとして考えられており、繊維滑りが発生すると、巻き直し及び装置の再起動が必要であり、時間を大幅にロスする。そして、タンクの品質が低下し、所期の性能を発揮することが困難になる。
【０００６】
特許文献１には、フィラメントワインディング装置に押圧手段を設けて、回転部材の表面に巻き付けられた繊維を回転部材に押圧して、繊維滑りの発生を抑える技術が示されている。また、特許文献２には、繊維束が繰り出される巻付治具に光学センサを設けて、繊維束の幅の変化を検知する技術が示されている。
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−２６０９７６号公報
【特許文献２】特開２００７−２６８８１７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１の技術では、通常のフィラメントワインディング装置に加えて、別個に押圧手段を備える必要があり、設備の大型化を招くという問題がある。そして、制御が複雑で設備が高価になるという問題がある。
【０００９】
また、特許文献２の技術は、繊維束の幅が規定幅よりも狭くなる場合を検出するものであり、繊維束の繊維幅が広がる拡幅や、繊維束の繊維間に隙間が生じる繊維割れなどの繊維滑りを検出することができず、繊維滑りの検出に適用することは困難である。また、投光部と受光部を有する光学センサは、繊維束Ｆから離間させることができず、巻付治具とタンクとの間に配置する必要があり、巻付治具をタンクに接近させる妨げになるおそれがある。巻付治具をタンクに接近させることができないと、繊維束を設計経路上に巻き付けることが難しく、繊維滑りが多発することが懸念される。
【００１０】
本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、その目的は、繊維滑りを迅速且つ正確に検出することができ、繊維束を予め設定された設計経路上に巻き付けることができるフィラメントワインディング装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決する本発明のフィラメントワインディング装置は、被巻付部材を回転させながら被巻付部材の表面に繊維束を巻き付けるフィラメントワインディング装置において、繊維束を被巻付部材に向けて繰り出す繰出手段と、繰出手段から繰り出される繊維束を撮影するカメラと、カメラで撮影した繊維束の画像に基づいて繊維束に繊維滑りが発生しているか否かを判定する判定手段とを備えたことを特徴としている。
【００１２】
本発明によれば、カメラで撮影した繊維束の画像に基づいて繊維束に繊維滑りが発生しているか否かを判定するので、従来は検出が困難であった繊維束の拡幅や繊維束の割れを検出することができ、迅速且つ正確に繊維滑りを判定することができる。また、カメラは、繊維束から離れた位置から撮影できるので、カメラを繊維束に接近させる必要がなく、繰出装置と被巻付部材との間にカメラが介在されるのを防ぐことができる。従って、繰出装置を被巻付部材に接近させることができ、繊維束Ｆを被巻付面の予め設定された設計経路上に巻き付けることができる。
【００１３】
判定手段は、繊維束の画像に基づいて繊維束の繊維幅を検出し、繊維幅と予め設定された幅閾値とを比較して、繊維幅が幅閾値を超える場合に繊維滑りが発生したと判定してもよい。
【００１４】
また、判定手段は、繊維束の画像に基づいて繊維束の繊維間の隙間を検出し、隙間と予め設定された隙間閾値とを比較して、隙間が隙間閾値を超える場合に、繊維滑りが発生したと判定してもよい。
【００１５】
また、繰出手段は、複数の繊維束を幅方向に並べて一本の幅広な帯状の繊維束として繰り出すヘッドを備える構成としてもよい。そして、ヘッドを被巻付部材の被巻付面に沿って被巻付部材の軸方向に往復移動させる移動手段を備え、カメラが移動手段によってヘッドと一体に移動可能に設けられている構成としてもよい。
【００１６】
また、カメラを繊維束の上方に配置し、繊維束を上方から撮影する構成としてもよい。これにより、繊維束Ｆから飛散した樹脂やゴミがカメラに付着するのを防ぎ、汚れに起因した撮影不良を防ぐことができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、従来は検出が困難であった繊維束の拡幅や繊維束の割れを検出することができ、迅速且つ正確に繊維滑りを判定することができる。そして、繰出装置を被巻付部材に接近させることができ、繊維束を被巻付面の予め設定された設計経路上に巻き付けることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
次に、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。
【００１９】
図１は、フィラメントワインディング装置１を模式的に示す平面図、図２は、同フィラメントワインディング装置１を模式的に示す側面図である。
【００２０】
本実施の形態におけるフィラメントワインディング装置１は、燃料電池電気自動車用水素タンクの製造に適用されるものであり、図１及び図２に示すように、複数（本実施の形態では４本）の単位繊維束ｆ１〜ｆ４を供給する繊維束供給装置２と、単位繊維束ｆ１〜ｆ４に樹脂を含浸させる樹脂含浸装置３と、単位繊維束ｆ１〜ｆ４をタンク本体（被巻付部材）Ｗに巻き付ける巻付装置４と、制御装置５を有する。
【００２１】
繊維束供給装置２は、各単位繊維束ｆ１〜ｆ４が個々に巻かれた複数（本実施の形態では４個）のボビンＢ１〜Ｂ４を、図示していないクリールスタンドの支軸に支持し、各ボビンＢ１〜Ｂ４から単位繊維束ｆ１〜ｆ４を巻き出して巻付装置４に供給可能な構成を有する。各単位繊維束ｆ１〜ｆ４は、それぞれが例えば１万２０００本あるいは２万４０００本のフィラメント数を有する無撚りの炭素繊維のマルチフィラメントからなり、一定幅の帯形状を有している。
【００２２】
樹脂含浸装置３は、液状樹脂が貯留された樹脂槽１１と、樹脂槽１１の液状樹脂に下部が浸漬された状態で回転支持された含浸ローラ１２を備えている。樹脂槽１１の上方位置には、ボビンＢ１〜Ｂ４から巻き出された単位繊維束ｆ１〜ｆ４を案内して含浸ローラ１２の上部に当接させる一対の案内ローラ１３、１４（図２を参照）が設けられており、単位繊維束ｆ１〜ｆ４の移動によって含浸ローラ１２を回転させて、含浸ローラ１２の外周面に付着した液状樹脂を単位繊維束ｆ１〜ｆ４に含浸させるようになっている。
【００２３】
巻付装置４は、タンク本体Ｗを着脱可能に支持して回転させるワーク支持手段２１（図１を参照）と、繊維束供給装置２から樹脂含浸装置３を介して供給された単位繊維束ｆ１〜ｆ４をタンク本体Ｗに向けて繰り出す繰出手段２２を備えている。
【００２４】
ワーク支持手段２１は、タンク本体Ｗの軸心が水平に延在するようにタンク本体Ｗを支持し、モータ（図示せず）を駆動源として作動し、クランプユニット２１ａを介してタンク本体Ｗを回転させる構成を有する。
【００２５】
繰出手段２２は、複数の単位繊維束ｆ１〜ｆ４を幅方向（本実施の形態では４列）に並べて一本の幅広な帯状の繊維束Ｆとし、その繊維束Ｆをタンク本体Ｗに向かって繰り出すヘッド２３と、ヘッド２３をタンク本体Ｗの被巻付面Ｗａに沿って軸方向に往復移動させる移動ユニット（図示せず）を有する。
【００２６】
ヘッド２３には、繊維束Ｆが挿通されるアイ口２３ａが設けられている。アイ口２３ａは、繊維束Ｆの面の角度を、タンク本体Ｗの被巻付面Ｗａに一致させることができるように、ヘッド２３に回動可能（図２の矢印Ｙを参照）に支持されている。
【００２７】
図示していない移動ユニットは、ワーク支持手段２１よりも上方の位置に設けられており、タンク本体Ｗの側方にヘッド２３のアイ口２３ａが対向して配置されるように、移動ユニットの移動体２４にヘッド２３を吊り下げ支持している。
【００２８】
例えば、移動ユニットは、タンク本体Ｗの軸心が延在する方向と平行に往復移動（図１で左右方向に移動）させる第１のアクチュエータと、タンク本体Ｗの軸心に直交する方向と平行に往復移動（図２で矢印Ｘ方向に移動）させる第２のアクチュエータを組み合わせることによって構成されている。
【００２９】
そして、ヘッド２３を、図１に仮想線で示すように、タンク本体Ｗの一方端部から他方端部まで被巻付面Ｗａに沿って移動させるように制御される。これら第１のアクチュエータと第２のアクチュエータには、ボールネジを使用するとともに、ナットと一体移動可能なスライダを１軸方向に移動させる構成の公知のものが使用されている。
【００３０】
移動ユニットの移動体２４には、図２に示すように、カメラ２５が取り付けられている。カメラ２５は、ヘッド２３のアイ口２３ａから繰り出される繊維束Ｆを上方から撮影し、その画像を制御装置５に出力する。なお、本実施の形態では、カメラ２５にＣＣＤ（電荷転送素子）カメラを用いているが、これに限定されるものではなく、繊維束Ｆを撮影できる電子カメラを適用可能である。
【００３１】
カメラ２５は、ヘッド２３の上方に配置されているので、カメラ２５のメンテナンスを容易なものとし、また、下方に配置した場合と比較して繊維束Ｆから飛散した樹脂やゴミがカメラ２５に付着するのを防ぎ、汚れに起因した撮影不良を防ぐことができる。また、上方から下方に向かって撮影することによって、繊維束Ｆの背景にタンク本体Ｗが写るのを防ぎ、繊維束Ｆの繊維滑りの発生を容易且つ明確に把握することができる。
【００３２】
また、カメラ２５は、投光部及び受光部からなる光学センサよりも、繊維束Ｆから離れた位置から撮影できるので、カメラ２５を繊維束Ｆに接近させる必要がなく、アイ口２３ａとタンク本体Ｗとの間にカメラ２５が介在されるのを回避することができる。従って、アイ口２３ａをタンク本体Ｗに対して、より接近した位置まで移動させることができ、繊維束Ｆを被巻付面Ｗａの予め設定された設計経路に正確に巻き付けることができる。
【００３３】
制御装置５は、フィラメントワインディング装置１の動作を制御するものであり、本実施の形態では、マイクロコンピュータ等によって構成されている。そして、所定のプログラムが実行されることにより、カメラ２５で撮影した画像に基づいて繊維束Ｆに繊維滑りが発生しているか否かを判定する判定手段５ａが内部機能として実現される。なお、制御装置５には、カメラ２５で撮影した映像を記憶する記憶手段が設けられている。
【００３４】
次に、上記構成を有するフィラメントワインディング装置１の作用について説明する。フィラメントワインディング装置１の巻付運転に際しては、巻付装置４内のワーク支持手段２１にタンク本体Ｗを支持させた後、繊維束供給装置２から単位繊維束ｆ１〜ｆ４を巻き出して、樹脂含浸装置３を介して巻付装置４のヘッド２３に誘導する。そして、ヘッド２３で繊維束Ｆとしてアイ口２３ａから引き出し、その繊維束Ｆの先端部をタンク本体Ｗの所定部位に固定する。
【００３５】
そして、上記した準備完了後に巻付運転が開始される。巻付運転の開始により、タンク本体Ｗが一定方向に回転され、ヘッド２３がタンク本体の被巻付面Ｗａに沿って移動される。そして、繊維束供給装置２から複数の単位繊維束ｆ１〜ｆ４が巻き出されて、ヘッド２３で繊維束Ｆとされ、アイ口２３ａから繰り出されて、タンク本体Ｗの被巻付面Ｗａに巻き付けられる。
【００３６】
繊維束Ｆは、移動体２４の移動速度及びタンク本体Ｗの回転速度の調整により、ヘリカル巻、及びフープ巻のパターンでタンク本体Ｗに次第に積層され、所定の積層数になるまで継続される。そして、巻付運転の開始から終了まで、アイ口２３ａから繰り出される繊維束Ｆがカメラ２５によって撮影され、その画像データが制御装置５に送信される。
【００３７】
巻付運転終了後は、タンク本体Ｗをワーク支持手段２１から取り外して、加熱炉に入れ、所定温度で加熱して繊維束Ｆの樹脂を硬化させることで、タンク本体１の表面が繊維強化樹脂層で被覆された複合構造の水素タンクが完成する。
【００３８】
図３は、繊維束Ｆの巻き付け時に、被巻付面上で繊維滑りが発生した場合の繊維束Ｆの状態を示す図であり、図４は、カメラ２５で撮影した画像の模式図である。
【００３９】
例えば、図３に示すように、複数の単位繊維束ｆ１〜ｆ４からなる繊維束Ｆをタンク本体Ｗに巻き付けると、繊維束Ｆの幅方向一端に位置する繊維束ｆ４が不安定な部位（球状部分）に位置することとなり、同図の矢印で示すように、所定の巻付位置からずれる「繊維滑り」を生ずる場合がある。同様に、特に図示していないが、例えば繊維束ｆ４が２つに割れて繊維束ｆ４の一部が所定の巻付位置からずれる「繊維滑り」を生ずる場合もある。このような繊維滑りが発生した場合、繊維束Ｆがアイ口２３ａから繰り出された箇所Ａ（図３を参照）では、繊維束Ｆの繊維幅が広がる拡幅、もしくは繊維束Ｆの繊維間に隙間が形成される繊維割れが生じる。
【００４０】
制御装置５の判定手段５ａは、図４（ａ）に示すように、カメラ２５で撮影した画像３１に基づいて、繊維束Ｆに繊維滑りが発生したか否かを判定する。判定手段５ａは、アイ口２３ａから繰り出される繊維束Ｆの画像を含む判定領域３２を画像３１内に設定し、その判定領域３２内の繊維束Ｆの画像について常時モニタリングを行う。
【００４１】
判定手段５ａは、画像３１内における繊維束Ｆの画像に判定領域３２を追従させることができ、例えば、ヘッド２３の移動に応じてアイ口２３ａから繰り出される繊維束Ｆの位置や向きが変化した場合にも、繊維束Ｆの画像を含む判定領域３２を設定することができる。
【００４２】
判定手段５ａは、判定領域３２内における繊維束Ｆの繊維幅Ｌを検出し、その繊維幅Ｌと予め設定された幅閾値Ｌｉとを比較して、繊維幅Ｌが幅閾値Ｌｉを超える場合に繊維滑りが発生したと判定する。
【００４３】
また、判定領域３２内における繊維束Ｆの繊維間の隙間Ｓを検出し、その隙間Ｓと予め設定された隙間閾値Ｓｉとを比較して、隙間Ｓが隙間閾値Ｓｉを超える場合に繊維滑りが発生したと判定する。繊維束Ｆの割れは、複数の単位繊維束ｆ１〜ｆ４の間が割れる場合、あるいは各単位繊維束ｆ１〜ｆ４にて割れる場合の両方が含まれる。また、繊維割れは、繊維束Ｆの繊維幅Ｌが変化せずに、発生する場合もある。
【００４４】
制御装置５は、判定手段５ａによって繊維滑りが発生したと判定された場合に、フィラメントワインディング装置１の巻付運転を停止させ、また、警報等によってユーザに通知を行う等の制御を行う。
【００４５】
上記構成を有するフィラメントワインディング装置１によれば、従来は検出が困難であった繊維束Ｆの拡幅や割れを検出することができ、迅速且つ正確に繊維滑りを判定することができる。そして、アイ口２３ａをタンク本体Ｗに接近させることができ、繊維束Ｆを被巻付面Ｗａの予め設定された設計経路上に正確に巻き付けることができる。
【００４６】
また、本発明によれば、カメラ２５で撮影した映像を制御装置５の記憶手段に記憶することができるので、繊維滑りが発生する瞬間の映像を再生して見ることができる。従って、繊維滑りの解析ができ、原因究明に役立てることができる。
【００４７】
なお、上記実施の形態では、繊維束供給装置２から巻き出された単位繊維束ｆ１〜ｆ４に対して、樹脂含浸装置３で樹脂を含浸させる構成の場合を例に説明したが、予め樹脂を含浸させた繊維束ｆを繊維束供給装置２から巻き出す構成としてもよい。
【００４８】
また、上記実施の形態では、カメラ２５を移動ユニットの移動体２４に取り付けてヘッド２３と一体に移動させる構成の場合を例に説明したが、固設してもよい。このように、カメラ２５を固設することによって、カメラ２５の配線処理を容易なものとし、また、ヘッド２３の軽快な移動を確保することができる。そして、カメラ２５の数は、１個に限定されるものではなく、複数のカメラ２５で撮影箇所を分担して撮影させる構成としてもよい。
【００４９】
また、カメラ２５をアイ口２３ａに設けて、アイ口２３ａと一体に移動及び回動させる構成としてもよい。これによれば、常にカメラ２５を繊維束Ｆに正対させることができ、繊維束Ｆの拡幅や割れを正確に検出することができる。
【００５０】
また、上記実施の形態では、フィラメントワインディング装置１を燃料電池電気自動車用水素タンクの製造に適用した例を説明したが、本発明で巻付対象とする被巻付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。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】フィラメントワインディング装置を模式的に示す平面図。
【図２】同フィラメントワインディング装置を模式的に示す側面図。
【図３】繊維滑りの状態を示す図。
【図４】カメラで撮影した画像の模式図。
【符号の説明】
【００５２】
１  フィラメントワインディング装置
２  繊維束供給装置
３  樹脂含浸装置
４  巻付装置
５  制御装置
２１  ワーク支持手段
２２  繰出手段
２３  ヘッド
２３ａ  アイ口
２５  カメラ
３１  画像
３２  判定領域
ｆ１〜ｆ４  単位繊維束
Ｆ  繊維束
Ｗ  タンク本体（被巻付部材）
Ｗａ  被巻付面
Ｓ  隙間
【図１】
2009291981.tif 000003
【図２】
2009291981.tif 000004
【図３】
2009291981.tif 000005
【図４】
2009291981.tif 000006