JP6194909B2 - フィラメントワインディング装置 - Google Patents
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Description
<1>本発明の第1の形態は、ライナーの外表面に対して、複数の繊維からなる繊維束を巻き付けるフィラメントワインディング装置であって;前記繊維束を送り出す繊維送出部と;前記繊維送出部から供給された前記繊維束に接触し、前記ライナーの外表面に案内するローラを含む案内部と、を備え;前記ローラは;外気を吸引するための吸引孔であって、少なくとも前記繊維束が接触する面に設けられる吸引孔と;前記吸引孔から外気を吸引して、前記ローラに接触している前記繊維束を引き寄せる吸引部と;を備える、フィラメントワインディング装置である。
また、本発明は、以下の形態として実現することも可能である。
この形態のフィラメントワインディング装置によれば、繊維束をライナーの外表面に案内するローラは、ローラに接触している繊維束を引き寄せることが可能な程度の吸引力で、繊維束が接触する面に設けられた吸引孔から外気を吸引する。このように、ローラに接触している繊維束をローラに引き寄せることによって、繊維束の位置ずれの発生を抑制すると共に、繊維束の位置を維持することができる。この結果、この形態のフィラメントワインディング装置は、案内部のローラ上の繊維束の位置を制御することができる。
この形態のフィラメントワインディング装置によれば、ローラはさらに、ローラに接触している繊維束に含まれる繊維のそれぞれを、ローラの幅方向に拡げることが可能な程度の噴出力で、繊維束が接触する面に設けられた噴出孔から空気を噴出する。このため、ローラを、ライナーの外表面に案内される繊維束を拡幅する「拡幅ローラ」として機能させることができる。この結果、この形態のフィラメントワインディング装置は、案内部のローラ上の繊維束の位置を制御すると共に、ライナーの外表面に案内される繊維束を拡幅させることができる。
この形態のフィラメントワインディング装置によれば、吸引部は、繊維束のずれに応じて、吸引を実施するか否かと吸引力の大きさとのうちの少なくとも一方を変える。このため、例えば吸引部は、繊維束のずれが生じていない場合には、吸引を実施せず、または、吸引力の大きさを小さくすることができる。また、例えば吸引部は、繊維束のずれが大きい場合には、吸引を実施し、または、吸引力の大きさを大きくすることができる。この結果、この形態のフィラメントワインディング装置は、案内部のローラ上の繊維束の位置を、繊維束のずれに応じて制御することができる。
この形態のフィラメントワインディング装置によれば、ローラの幅方向における中央部では、噴出孔から噴出される空気によって、ライナーの外表面に案内される繊維束を拡幅することができる。また、ローラの幅方向における両端部では、第1の吸引孔と第2の吸引孔から吸引される外気によって、案内部のローラ上の繊維束の位置を制御することができる。この結果、この形態のフィラメントワインディング装置は、ローラの幅を有効に利用して、繊維束の位置の制御と、繊維束の拡幅とを両立させることができる。
この形態のフィラメントワインディング装置によれば、吸引部は、繊維束のずれが生じた位置に対応する吸引孔について、吸引を実施するか否かと吸引力の大きさとのうちの少なくとも一方を変える。このため、例えば吸引部は、繊維束のずれが生じた位置に対応しない吸引孔については、吸引を実施せず、または、吸引力の大きさを小さくすることができる。また、例えば吸引部は、繊維束のずれが生じた位置に対応する吸引孔については、吸引を実施し、または、吸引力の大きさを大きくすることができる。この結果、この形態のフィラメントワインディング装置は、案内部のローラ上の繊維束の位置を、繊維束のずれが生じた位置に応じて制御することができる。
この形態のフィラメントワインディング装置によれば、ローラは中央部が縮径した鼓形状である。このため、ローラを、ライナーの外表面に案内される繊維束を中央部において収束させる「位置制御ローラ」として機能させることができる。また、ローラは中央部に外気を吸引するための吸引孔が配置されている。このため、中央部に収束された繊維束をローラに引き寄せることによって、繊維束の位置ずれの発生を抑制すると共に、繊維束の位置を、ローラの中央部において維持することができる。この結果、この形態のフィラメントワインディング装置は、案内部のローラ上の繊維束の位置を制御すると共に、ライナーの外表面に案内される繊維束を収束させることができる。
この形態のフィラメントワインディング装置によれば、吸引部は、ライナーに対する繊維束の巻き方に応じて、吸引を実施するか否かと吸引力の大きさとのうちの少なくとも一方を変える。このため、例えば吸引部は、繊維束のずれが生じづらいフープ巻きの場合には、吸引を実施せず、または、吸引力の大きさを小さくすることができる。また、例えば吸引部は、繊維束のずれが生じやすいヘリカル巻きの場合には、吸引を実施し、または、吸引力の大きさを大きくすることができる。この結果、この形態のフィラメントワインディング装置は、案内部のローラ上の繊維束の位置を、繊維束の巻き方に応じて制御することができる。
この形態のフィラメントワインディング装置によれば、吸引部は、繊維束のずれに応じて、吸引を実施するか否かと吸引力の大きさとのうちの少なくとも一方を変える。このため、例えば吸引部は、繊維束のずれが生じていない場合には、吸引を実施せず、または、吸引力の大きさを小さくすることができる。また、例えば吸引部は、繊維束のずれが大きい場合には、吸引を実施し、または、吸引力の大きさを大きくすることができる。この結果、この形態のフィラメントワインディング装置は、案内部のローラ上の繊維束の位置を、繊維束のずれに応じて制御することができる。
ローラは熱硬化性樹脂を含浸させた繊維を接触させつつ案内する。このため、ローラの吸引孔は、熱硬化性樹脂による目詰まりを起こしやすい。この形態のフィラメントワインディング装置によれば、ローラの吸引孔は多孔質材料の細孔であるため、熱硬化性樹脂による吸引孔の目詰まりの発生を抑制することができる。
A−1.フィラメントワインディング装置の構成:
図1は、本発明の一実施形態としてのフィラメントワインディング装置の構成を示す図である。フィラメントワインディング装置10は、フィラメントワインディング(Filament Winding)法による高圧タンクの製造方法において、高圧タンクのコアとなるライナー70に対して、複数の繊維からなる繊維束を巻回するために使用される装置である。図1、および以降の図では、繊維束の搬送方向をX軸方向、高さ方向をY軸方向、繊維を搬送するための種々のローラの幅方向をZ軸方向として説明する。
(a1)制御部60は、エアコンプレッサ443の駆動ON/OFFを制御する。
(a2)制御部60は、真空ポンプ444、454の駆動ON/OFFを制御する。
(a3)制御部60は、エアコンプレッサ443からの空気の噴出力を制御する。
(a4)制御部60は、真空ポンプ444、454による外気の吸引力を制御する。
(a5)制御部60は、ライナー回転装置50によるライナー70の回転速度を制御する。
(a6)制御部60は、膜厚測定装置320から樹脂含浸繊維束710の熱硬化型エポキシ樹脂の厚さを取得する。
(a7)制御部60は、樹脂含浸繊維束710の熱硬化型エポキシ樹脂の厚さに基づいて、樹脂含浸繊維束710の熱硬化型エポキシ樹脂の厚さが一定となるように、樹脂含浸槽310の温度を制御する。
図3は、位置調整部420の構成を示す平面図である。図4は、位置調整部420による繊維束の位置の制御について説明する図である。図3に示すように、第1〜第3のローラ430、440、450は、それぞれ、軸を用いて支持具422に取り付けられている。
本実施形態において、第2のローラ440は、例えばポーラス金属のような多孔質材料を用いて形成されており、無数の細孔を有する。第2のローラ440の内部空間は、第2のローラ440の幅方向(Z軸方向)において、以下の3つの領域AC、AE1、AE2に区切られている。
・中央部に位置する領域AC
・樹脂含浸繊維束710の搬送方向(X軸方向)右側に位置する領域AE1
・樹脂含浸繊維束710の搬送方向(X軸方向)左側に位置する領域AE2
(b1)上記実施形態の構成において、樹脂含浸繊維束710が接触する面のみに多孔質材料を使用し、他の面には細孔を持たない金属、樹脂、セラミック等を使用する構成。
(b2)上記実施形態の構成において、領域AE1と領域AE2とのいずれか一方を省略した構成。
(b3)第2のローラ440の材料として細孔を持たない金属、樹脂、セラミック等を用い、別途、吸引孔として機能する孔やスリットを設ける構成。
(b4)変更b3の構成において、孔やスリットを樹脂含浸繊維束710が接触する面にのみ設ける構成。
本実施形態において、第3のローラ450は、例えばポーラス金属のような多孔質材料を用いて形成されており、無数の細孔を有する。第3のローラ450の内部空間は、エア配管452を介して真空ポンプ454(図2)に接続されている。制御部60が真空ポンプ454を駆動することにより、真空ポンプ454は、第3のローラ450の内部空間から空気を吸引し、外部へ排出する。すると、第3のローラ450の内部空間は大気圧より低い圧力状態となるため、第3のローラ450の細孔を介して、第3のローラ450の外表面の全方向から、外気が内部空間へと流れ込む。このとき、制御部60は、第3のローラ450の外表面から内部空間へと流れ込む外気による吸引力が、樹脂含浸繊維束710を第3のローラ450の方向(Y軸方向)に引き寄せることが可能な程度の吸引力となるように、真空ポンプ454を制御する。
(c1)上記実施形態の構成において、樹脂含浸繊維束710が接触する面のみに多孔質材料を使用し、他の面には細孔を持たない金属、樹脂、セラミック等を使用する構成。
(c2)第3のローラ450の材料として細孔を持たない金属、樹脂、セラミック等を用い、別途、吸引孔として機能する孔やスリットを設ける構成。
(c3)変更c2の構成において、孔やスリットを樹脂含浸繊維束710が接触する面にのみ設ける構成。
本発明の第2実施形態では、繊維束のずれ等を検出してフィードバック制御を行う構成について説明する。図中において第1実施形態と同様の構成および手順を有する部分は、先に説明した第1実施形態と同じ符号を付し、詳細な説明を省略する。すなわち、以下に説明しない構成および手順は、上述した第1実施形態と同様である。
第2実施形態のフィラメントワインディング装置10の構成は、図1に示した第1実施形態とほぼ同じである。ただし、第2実施形態のフィラメントワインディング装置10は、位置調整部420に代えて位置調整部420aを備える点と、制御部60の制御内容と、が図1に示した第1実施形態と異なる。
図5は、第2実施形態における位置調整部420aの構成を示す斜視図である。図2に示した第1実施形態との違いは、位置調整部420aがさらに荷重測定部470を備えている点であり、他の構成については第1実施形態と同じである。荷重測定部470は、後述のフィードバック制御において、制御部60と協働し、ライナー70と第3のローラ450との間における樹脂含浸繊維束710の張力T1を検出する。荷重測定部470は、トルク測定部472と、水平方向荷重測定部474と、鉛直方向荷重測定部476と、を含む。トルク測定部472は、第3のローラ450に掛かる摩擦トルクMを測定し、測定値を制御部60へ送信する。水平方向荷重測定部474は、第3のローラ450に掛かる水平方向荷重Fxを測定し、測定値を制御部60へ送信する。鉛直方向荷重測定部476は、第3のローラ450に掛かる鉛直方向荷重Fyを測定し、測定値を制御部60へ送信する。
本実施形態の制御部60は、上述した制御a1〜a7に加えてさらに、フィードバック制御として、以下の制御a8〜a12のうちの少なくとも一部を実施する。
(a8)制御部60は、第2のローラ440における樹脂含浸繊維束710の位置ずれを検出する。
(a9)制御部60は、第3のローラ450における樹脂含浸繊維束710の位置ずれを検出する。
(a10)制御部60は、第3のローラ450とライナー70との間の樹脂含浸繊維束710の張力を検出する。
(a11)制御部60は、制御a8〜a10において検出した情報のうちの少なくとも一部を用いて、第2のローラ440および第3のローラ450における吸引を実施するか否か、または、吸引孔からの吸引力の大きさを変える。
(a12)制御部60は、制御a8〜a10において検出した情報のうちの少なくとも一部を用いて、第2のローラ440における噴出を実施するか否か、または、噴出孔からの噴出力の大きさを変える。
位置ずれの検出方法(制御a8、制御a9)について説明する。制御部60は、画像取得部460から取得した画像を用いて、第2のローラ440における樹脂含浸繊維束710の位置ずれと、第3のローラ450における樹脂含浸繊維束710の位置ずれと、をそれぞれ検出する。制御部60が検出する「位置ずれ」には、ローラの経方向(Y軸方向)における樹脂含浸繊維束710の位置が所定の位置からずれることと、ローラの幅方向(Z軸方向)における樹脂含浸繊維束710の位置が所定の位置からずれることと、の両方を含んでもよいし、いずれか一方でもよい。
張力の検出方法(制御a10)について説明する。制御部60は、荷重測定部470から取得した水平方向荷重Fxと、鉛直方向荷重Fyと、摩擦トルクMと、を用いて、ライナー70と第3のローラ450との間における樹脂含浸繊維束710の張力T1を検出する。以降の説明において、ライナー70と第3のローラ450との間の樹脂含浸繊維束710の張力を張力T1と呼び、第3のローラ450と第2のローラ440との間の樹脂含浸繊維束710の張力を張力T2と呼ぶ。
Fm=M/r ・・・(1)
Fx=T1cosθ1+T2cosθ2 ・・・(2)
Fy=T1sinθ1+T2sinθ2 ・・・(3)
T1=T2+Fm ・・・(4)
T1={Fx2+Fy2−2×Fm(Fxcosθ2−Fysinθ2)+Fm2}/−2(Fxcosθ2−Fysinθ2−Fm) ・・・(5)
フィードバックの内容(制御a11、a12)について説明する。制御部60は、上述のようにして検出された第2のローラ440における位置ずれと、第3のローラ450における位置ずれと、ライナー70と第3のローラ450との間の張力と、のうちの少なくとも一部を条件として、以下のd1〜d6の項目を変更する。制御部60は、項目d1〜d6の全てを変更してもよいし、項目d1〜d6の少なくとも一部を組み合わせて変更してもよい。
(d1)第2のローラ440における吸引を実施するか否か。
(d2)第2のローラ440における吸引を実施する場合の吸引力の大きさ。
(d3)第3のローラ450における吸引を実施するか否か。
(d4)第3のローラ450における吸引を実施する場合の吸引力の大きさ。
(d5)第2のローラ440における噴出を実施するか否か。
(d6)第2のローラ440における噴出を実施する場合の噴出力の大きさ。
なお、この発明は上記の実施形態や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様で実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
上記実施形態では、フィラメントワインディング装置の構成の一例を示した。しかし、フィラメントワインディング装置の構成は、種々の変更が可能であり、例えば、構成要素の追加・削除・変換等を行うことができる。
上記実施形態では、案内部の構成の一例を示した。しかし、案内部の構成は、種々の変更が可能であり、例えば、構成要素の追加・削除・変換等を行うことができる。
上記実施形態では、フィードバック制御の一例を示した。しかし、フィードバック制御の内容は種々の変更が可能であり、例えば、処理条件や処理内容について、追加・削除・変換等を行うことができる。
本発明は、上述の実施形態や実施例、変形例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、実施例、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部または全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部また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。
20…繊維送出部
30…樹脂含浸部
40…案内部
50…ライナー回転装置
60…制御部
70…ライナー
201、202、203、204…ボビン
211、212、213、214…搬送ローラ
220…結束ローラ
301、302、303、304、305…搬送ローラ
310…樹脂含浸槽
320…膜厚測定装置
400…揃え口
410…搬送ローラ
420、420a…位置調整部
422…支持具
430…第1のローラ
440…第2のローラ
441…第1のエア配管
442…第2のエア配管
443…エアコンプレッサ
444…真空ポンプ
450…第3のローラ
452…エア配管
454…真空ポンプ
460…画像取得部
470…荷重測定部
472…トルク測定部
474…水平方向荷重測定部
476…鉛直方向荷重測定部
700…カーボン繊維
705…繊維束
710…樹脂含浸繊維束
AC、AE1、AE2…領域
D1…搬送方向
D2…幅方向
M…摩擦トルク
T1、T2…張力
Fm…回転方向荷重
Fx…水平方向荷重
Fy…鉛直方向荷重
Claims (6)
- ライナーの外表面に対して、複数の繊維からなる繊維束を巻き付けるフィラメントワインディング装置であって、
前記繊維束を送り出す繊維送出部と、
前記繊維送出部から供給された前記繊維束に接触し、前記ライナーの外表面に案内するローラを含む案内部と、
を備え、
前記ローラは、
外気を吸引するための吸引孔であって、少なくとも前記繊維束が接触する面に設けられる吸引孔と、
前記吸引孔から外気を吸引して、前記ローラに接触している前記繊維束を引き寄せる吸引部と、
を備える、フィラメントワインディング装置。 - 請求項1に記載のフィラメントワインディング装置であって、
前記ローラは、さらに、
空気を噴出するための噴出孔であって、少なくとも前記繊維束が接触する面に設けられる噴出孔と、
前記噴出孔から空気を噴出して、前記ローラに接触している前記繊維束に含まれる前記繊維のそれぞれを、前記繊維束の搬送方向と垂直な方向に拡げる噴出部と、
を備える、フィラメントワインディング装置。 - 請求項2に記載のフィラメントワインディング装置であって、
前記吸引部は、
所定の位置に対する前記繊維束のずれに応じて、前記吸引を実施するか否かと、吸引力の大きさと、のうちの少なくとも一方を変える、フィラメントワインディング装置。 - 請求項2に記載のフィラメントワインディング装置であって、
前記吸引孔は、第1の吸引孔と、第2の吸引孔とを含み、
前記ローラの幅方向において、
前記噴出孔は、前記ローラの中央部に配置され、
前記第1の吸引孔と前記第2の吸引孔とは、前記噴出孔の両端に配置されている、フィラメントワインディング装置。 - 請求項1に記載のフィラメントワインディング装置であって、
前記ローラの幅方向において、
前記ローラは、前記ローラの中央部が縮径した形状であり、
前記吸引孔は、前記ローラの中央部に配置されている、フィラメントワインディング装置。 - 請求項1から請求項5のいずれか一項に記載のフィラメントワインディング装置であって、
前記ローラは、多孔質材料を用いて形成され、
前記吸引孔は、前記多孔質材料の細孔である、フィラメントワインディング装置。
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