説明

フィラメントワインディング装置及びフィラメントワインディング方法

【課題】多給糸方法を用いてガスタンクに繊維を巻回する場合に口金付近の繊維層が厚くなるのを抑制する。
【解決手段】FW装置1は、タンク支持装置11と、ガスタンク2に対して繊維Aを供給しヘリカル巻きを行うヘリカル巻きヘッド12と、制御装置14を有する。ヘリカル巻きヘッド12は、ガスタンク2の周囲に同心円状に配置され、タンク軸方向Xに相対的に移動可能なガイドリング30と、ガイドリング30にタンク軸に対し放射状に設けられ、繊維Aをガスタンク2に向けて給糸する複数のガイド筒31と、ガイド筒31の給糸口32をタンク軸心方向Yに前後移動させる給糸口移動装置33と、を有する。制御装置14は、ガイドリング30がヘリカル巻きの折り返し位置にある時に、一部のガイド筒31の給糸口32のタンク軸心方向Yの位置が他のガイド筒31の給糸口32の位置よりも後方側になるように給糸口32の前後移動を制御する。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、フィラメントワインディング装置及びフィラメントワインディング方法
に関する。
【背景技術】
【0002】
例えば自動車等の車両に搭載される燃料電池システムには、燃料ガスの供給源としてガスタンクが用いられている。
【0003】
この種のガスタンクの製造工程は、略楕円体状のライナ(内容器)の外周に繊維強化樹脂(FRP(Fiber Reinforced Plastics))層を形成する工程を有し、当該工程は、通常熱硬化性樹脂が含浸された繊維をライナに巻き付けるフィラメントワインディング(Filament Winding)方法を用いて行われている。
【0004】
フィラメントワインディング方法では、一般的にガスタンクのタンク軸に対し垂直方向に巻かれるフープ巻きと、タンク軸に対し斜めに傾けた方向に巻かれるヘリカル巻きが行われ、これらの巻き方が異なる複数層からなる繊維強化樹脂層が形成される。
【0005】
ところで、フィラメントワインディング方法には、複数本の繊維からなる一束の繊維束をライナに巻回する単給糸方法と、複数本の繊維を一本ずつ多方向から同時にライナに巻回する多給糸方法がある。多給糸方法は、単給糸方法に比べて、ライナに繊維を巻回する時間を大幅に短縮できる(特許文献1〜3参照)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【特許文献1】特開2009−119732号公報
【特許文献2】特開2010−090938号公報
【特許文献3】特開2004−243749号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
しかしながら、上述の多給糸方法を用いた場合、例えば図7(a)に示すようにタンク100の両端の折り返し部分に繊維Aを巻く際に、各繊維Aが多方面から給糸され、口金101とタンク本体(ライナ)102との境界の同じ位置に巻かれるため、その部分に繊維Aが集中する。一方、単給糸方法の場合には、図7(b)に示すように繊維Aが束になって一緒に給糸されるため、繊維Aが一本ずつ僅かにずれる。この結果、多給糸方法を用いた場合には、口金101付近の繊維層の厚みが他の部分に比べて増加してしまい、最終的に口金101付近のタンク形状に出っ張りが生じたり、厚くなる分口金101の長さが余分に必要になったりして好ましくない。
【0008】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、多給糸方法を用いてタンクに繊維を巻回した場合に口金付近の繊維層が厚くなるのを抑制できるフィラメントワインディング装置及びフィラメントワインディング方法を提供することをその目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0009】
上記目的を達成するための本発明は、フィラメントワインディング装置であって、タンクを支持するタンク支持装置と、前記タンク支持装置に支持されたタンクに対して繊維を供給しヘリカル巻きを行うヘリカル巻きヘッドと、前記ヘリカル巻きヘッドの動作を制御する制御装置と、を有し、前記ヘリカル巻きヘッドは、前記タンクの周囲に同心円状に配置され、タンク軸方向に前記タンクに対し相対的に移動可能なガイドリングと、前記ガイドリングにタンク軸に対し放射状に設けられ、繊維を前記タンクに向けて給糸する複数のガイド筒と、前記ガイド筒の給糸口をタンク軸心方向に前後移動させる給糸口移動装置と、を有し、前記制御装置は、前記ガイドリングが前記タンクのヘリカル巻きの折り返し位置にあるときに、一部のガイド筒の給糸口のタンク軸心方向の位置が他のガイド筒の給糸口のタンク軸心方向の位置よりも後方側になるように前記給糸口の前後移動を制御する、フィラメントワインディング装置である。
【0010】
本発明によれば、ガイドリングがタンクのヘリカル巻きの折り返し位置にある時に、一部のガイド筒の給糸口のタンク軸心方向の位置が他のガイド筒の給糸口のタンク軸心方向の位置よりも後方側になるので、一部の給糸口から給糸される繊維が、タンクの端部の口金付近に供給されない。よって、多給糸方法を用いてタンクに繊維を巻回する場合において、口金付近の繊維層が厚くなるのを抑制できる。
【0011】
前記フィラメントワインディング装置において、前記制御装置は、前記ガイドリングが折り返し位置にある時に前記一部のガイド筒とその他のガイド筒とが前記ガイドリングに沿って交互になるように前記給糸口の前後移動を制御してもよい。
【0012】
別の観点による本発明は、タンク支持装置に支持されたタンクに対しヘリカル巻きヘッドから繊維を供給して、タンクに繊維を巻回するフィラメントワインディング方法であって、タンクの周囲に同心円状に配置された前記ヘリカル巻きヘッドのガイドリングをタンク軸方向に移動させながら、当該ガイドリングにタンク軸に対し放射状に設けけられている複数のガイド筒からタンクに向けて繊維を給糸して、ヘリカル巻きを行う工程を有し、前記ヘリカル巻き工程において、前記ガイド筒の給糸口をタンク軸心方向に前後移動させ、前記ガイドリングが前記タンクのヘリカル巻きの折り返し位置に移動したときに、一部のガイド筒の給糸口のタンク軸心方向の位置を他のガイド筒の給糸口のタンク軸心方向の位置よりも後方側にする、フィラメントワインディング方法である。
【0013】
前記フィラメントワインディング方法において、前記ヘリカル巻き工程において前記ガイドリングが折り返し位置にある時に前記一部のガイド筒とその他のガイド筒とが前記ガイドリングに沿って交互に位置するようにしてもよい。
【発明の効果】
【0014】
本発明によれば、多給糸方法を用いてタンクに繊維を巻回する場合に口金付近の繊維層が厚くなるのを抑制できるので、繊維の巻回時間を短縮しつつ、滑らかな適正な形状のタンクを製造できる。
【図面の簡単な説明】
【0015】
【図1】FW装置の構成の概略を示す模式図である。
【図2】ヘリカル巻きヘッドの構成の概略を示す正面図である。
【図3】ガスタンクの胴部に繊維を巻回している状態を示す説明図である。
【図4】折り返し時のヘリカル巻きヘッドの状態を示す説明図である。
【図5】折り返し時にガイド筒の給糸口が通常の位置のある場合を示す説明図である。
【図6】折り返し時にガイド筒の給糸口が後退した位置にある場合を示す説明図である。
【図7】(a)は、多給糸方法を用いてヘリカル巻きした場合の口金付近の繊維の状態を示す説明である。(b)は、単給糸方法を用いてヘリカル巻きした場合の口金付近の繊維の状態を示す説明である。
【発明を実施するための形態】
【0016】
以下、図面を参照して、本発明の好ましい実施の形態について説明する。図1は、本実施の形態にかかるフィラメントワインディング装置(以下、「FW装置」とする。)1の構成の概略を示す模式図である。
【0017】
FW装置1は、例えば基台10と、ガスタンク2を支持するタンク支持装置11と、タンク支持装置11に支持されたガスタンク2に対し繊維Aを供給しヘリカル巻きを行うヘリカル巻きヘッド12と、ガスタンク2に対し繊維Aを供給しフープ巻きを行うフープ巻きヘッド13と、制御装置14等を有している。
【0018】
タンク支持装置11は、例えばガスタンク2の両端の口金3部分に連結可能な一対のシャフト20と、当該各シャフト20の外側端部を保持する一対のチャック21と、チャック21を支持する一対の支持柱22と、支持柱22が固定され、基台10に対してタンク軸方向Xに移動する移動台23を有している。チャック21には、図示しない回転駆動源が設けられており、シャフト20を回転させてガスタンク2を回転できる。また、移動台23は、基台10にタンク軸方向Xに沿って設けられたレール24上に設けられ、図示しない駆動源によりレール24上を移動できる。これにより、シャフト20に支持されたガスタンク2をタンク軸方向Xに移動させることができる。
【0019】
ヘリカル巻きヘッド12は、例えば図2に示すようにガスタンク2の周囲に同心円状に配置され、タンク軸方向Xに移動可能なガイドリング30と、ガイドリング30に沿って同一円周上に等間隔で配置され、繊維Aをガスタンク2に向けて給糸する複数のガイド筒31と、ガイド筒31の給糸口32をタンク軸心方向Yに前後移動させる給糸口移動装置33を有している。
【0020】
ガイド筒31は、ガスタンク2の軸心に向けて放射状に設けられている。各ガイド筒31は、筒ホルダー40によりガイドリング30に固定されている。ガイド筒31には、外側からタンク軸心方向Yに向けて繊維Aが挿通し、ガイド筒31のガスタンク2側の先端が給糸口32になっている。
【0021】
給糸口移動装置33は、例えば図3に示すように各ガイド筒31の外面に設けられたラックギア50と、ラックギア50に組み合せられたピニオンギア51と、ピニオンギア51を回転駆動する駆動部52を有し、駆動部52によりピニオンギア51を回すことによってガイド筒31の給糸口32を前後方向に移動できる。本実施の形態では、2種類のギア比が用いられており、ガイド筒31は、ガイドリング30に沿って交互に異なるギア比を有している。したがって、駆動部52により各ガイド筒31のピニオンギア51を同じだけ回転させた場合に、ガイドリング30上のガイド筒31の給糸口32の位置が交互に異なる。
【0022】
ヘリカル巻きヘッド12は、図1に示すようにガイドリング30に固定された支持部材60により支持されている。支持部材60は、例えば基台10に固定されている。
【0023】
フープ巻きヘッド13は、例えば回転リング70と、回転リング70に設けられた給糸部71を有している。フープ巻きヘッド13は、支持部材72に支持されている。支持部材72は、基台10のタンク軸方向Xに沿ったレール73に取り付けられており、レール73に沿って移動できる。
【0024】
制御装置14は、プログラムに従ってヘリカル巻きヘッド12やフープ巻きヘッド13等の動作を制御し、ガスタンク2に対する後述するフィラメントワインディング方法を実行できる。
【0025】
次に、上記FW装置1を用いたフィラメントワインディング方法について説明する。
【0026】
先ず、図1に示すようにガスタンク2がタンク支持装置11に支持される。フープ巻きを行う際には、フープ巻きヘッド13の回転リング70が回転しながら、給糸部71からガスタンク2に繊維が供給され、その状態でフープ巻きヘッド13がタンク軸方向Xに往復移動することによって、ガスタンク2の表面に繊維がフープ巻きに巻かれる。
【0027】
ヘリカル巻きを行う場合には、ガスタンク2が回転した状態で、ガスタンク2がヘリカル巻きヘッド12に対しタンク軸方向Xに移動する。このとき、図2に示すようにヘリカル巻きヘッド12の各ガイド筒31からそれぞれ一本の繊維Aがガスタンク2に供給され、巻き付けられる。図2及び図3に示すようにガスタンク2の同じ径の胴部2aに繊維Aが巻き付けられる際には、総てのガイド筒31の給糸口32の位置がタンク軸心に対し等距離にある。そして、各ガイド筒31からの各繊維Aがタンク表面の同一円周上、つまりタンク軸方向Xの同じ位置に給糸され、その給糸位置がタンク軸方向Xに移動していくことにより胴部2aの全体に繊維Aが巻き付けられる。
【0028】
次に、ガスタンク2の次第に径が小さくなるドーム部2bに繊維Aが巻き付けられる際には、ガイド筒31の給糸口32が次第にタンク軸心に近づくようにガイド筒31がタンク軸心方向Yに前進する。このとき、図4に示すようにガイド筒31の前進距離が2つに分かれ、ガイドリング30上でガイド筒31が大きく前進するものと、小さく前進するものが交互になる。そして、ヘリカル巻きの折り返し位置、つまりガスタンク2がヘリカル巻きヘッド12に対し折り返される際に、図5に示すように半分のガイド筒31の給糸口32は、口金3側に第1の距離D1前進し、繊維Aが口金3とタンク本体(ライナ)80の境界部分P(口金3の付け根部分)に巻き付けられる。また、図6に示すように残りの半分のガイド筒31の給糸口32は、口金3側に第1の距離D1より短い第2の距離D2前進し、口金3とタンク本体80の境界部分Pから離れた位置に巻き付けられる。なお、ヘリカル巻きの繊維Aはタンク軸に対し斜めに巻かれているので、給糸口32の前進距離が長ければ長いほど、口金3とタンク本体80の境界部分Pに近づくことになる。こうすることにより、半分のガイド筒31から給糸された繊維Aが口金3とタンク本体80の境界部分Pに供給されず、その分当該境界部分P1を含むタンク端部領域Rのヘリカル巻きの厚みが薄くなる。
【0029】
こうして、ガスタンク2がヘリカル巻きヘッド12に対し往復移動することによって、ガスタンク2の表面に繊維Aがヘリカル巻きに巻かれる。ガスタンク2には、フープ巻きとヘリカル巻きが所定回数ずつ行われて繊維層が形成される。
【0030】
以上の実施の形態によれば、ガイドリング30がヘリカル巻きの折り返し位置にある時に、半分のガイド筒31の給糸口32の位置が他のガイド筒31の給糸口32の位置よりもタンク軸心方向に対し後方側になるので、一部の給糸口32からの繊維Aが口金3付近に供給されない。よって、多給糸方法を用いてガスタンク2に繊維Aを巻回する場合において、口金3付近の繊維層が厚くなるのを抑制できる。本実施の形態のように一部のガイド筒31のタンク軸心方向Y方向の前進距離を変えることで、簡単に口金3付近の繊維層を薄くできる。
【0031】
また、以上の実施の形態において、ガイドリング30がヘリカル巻きの折り返し位置にある時に前進距離D1のガイド筒31と前進距離D2のガイド筒31とがガイドリング30に沿って交互に位置するので、ガスタンク2の周方向に斑なく繊維Aを巻くことができる。
【0032】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【0033】
例えば以上の実施の形態において、ヘリカル巻きのガイドリング30の折り返し時に、前進距離が短いガイド筒31が全体の半分であったが、その数は任意に選択できる。また、上記実施の形態では、ヘリカル巻き時にガスタンク2側がタンク軸方向Xに移動していたが、ヘリカル巻きヘッド12側がタンク軸方向Xに移動してもよい。
【0034】
また、FW装置1は、燃料電池自動車1のみならず、天然ガス自動車、ハイブリッド自動車などの車両のほか、各種移動体(例えば、船舶や飛行機、ロケット、ロボットなど)や定置設備(住宅、ビル)に用いられるガスタンクの製造にも適用できる。
【符号の説明】
【0035】
1 FW装置
2 ガスタンク
3 口金
10 基台
11 タンク支持装置
12 ヘリカル巻きヘッド
13 フープ巻きヘッド
14 制御装置
30 ガイドリング
31 ガイド筒
32 給糸口
33 給糸口移動装置
A 繊維
X タンク軸方向
Y タンク軸心方向

【特許請求の範囲】
【請求項1】
フィラメントワインディング装置であって、
タンクを支持するタンク支持装置と、
前記タンク支持装置に支持されたタンクに対して繊維を供給しヘリカル巻きを行うヘリカル巻きヘッドと、
前記ヘリカル巻きヘッドの動作を制御する制御装置と、を有し、
前記ヘリカル巻きヘッドは、
前記タンクの周囲に同心円状に配置され、タンク軸方向に前記タンクに対し相対的に移動可能なガイドリングと、
前記ガイドリングにタンク軸に対し放射状に設けられ、繊維を前記タンクに向けて給糸する複数のガイド筒と、
前記ガイド筒の給糸口をタンク軸心方向に前後移動させる給糸口移動装置と、を有し、
前記制御装置は、前記ガイドリングが前記タンクのヘリカル巻きの折り返し位置にあるときに、一部のガイド筒の給糸口のタンク軸心方向の位置が他のガイド筒の給糸口のタンク軸心方向の位置よりも後方側になるように前記給糸口の前後移動を制御する、フィラメントワインディング装置。
【請求項2】
前記制御装置は、前記ガイドリングが折り返し位置にある時に前記一部のガイド筒とその他のガイド筒とが前記ガイドリングに沿って交互になるように前記給糸口の前後移動を制御する、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】
タンク支持装置に支持されたタンクに対しヘリカル巻きヘッドから繊維を供給して、タンクに繊維を巻回するフィラメントワインディング方法であって、
タンクの周囲に同心円状に配置された前記ヘリカル巻きヘッドのガイドリングをタンク軸方向に移動させながら、当該ガイドリングにタンク軸に対し放射状に設けけられている複数のガイド筒からタンクに向けて繊維を給糸して、ヘリカル巻きを行う工程を有し、
前記ヘリカル巻き工程において、前記ガイド筒の給糸口をタンク軸心方向に前後移動させ、前記ガイドリングが前記タンクのヘリカル巻きの折り返し位置に移動したときに、一部のガイド筒の給糸口のタンク軸心方向の位置を他のガイド筒の給糸口のタンク軸心方向の位置よりも後方側にする、フィラメントワインディング方法。
【請求項4】
前記ヘリカル巻き工程において前記ガイドリングが折り返し位置にある時に前記一部のガイド筒とその他のガイド筒とが前記ガイドリングに沿って交互に位置する、請求項3に記載のフィラメントワインディング方法。

【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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【公開番号】特開2013−888(P2013−888A)
【公開日】平成25年1月7日(2013.1.7)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2011−130627(P2011−130627)
【出願日】平成23年6月10日(2011.6.10)
【出願人】(000003207)トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【出願人】(000006297)村田機械株式会社 (4,916)
【Fターム(参考)】