特開 2024-128611 繊維積層装置及び複合材成形方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024128611

(43)【公開日】2024-09-24

(54)【発明の名称】繊維積層装置及び複合材成形方法

(51)【国際特許分類】

   B29C 70/54 20060101AFI20240913BHJP

   B29C 70/38 20060101ALI20240913BHJP

【ＦＩ】

B29C70/54

B29C70/38

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023037675

(22)【出願日】2023-03-10

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成３０年度、内閣府総合科学技術・イノベーション会議の戦略的イノベーション創造プログラム（ＳＩＰ）「統合型材料開発システムによるマテリアル革命」委託研究（管理法人：ＪＳＴ）、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願

(71)【出願人】

【識別番号】000005348

【氏名又は名称】株式会社ＳＵＢＡＲＵ

(74)【代理人】

【識別番号】100136504

【弁理士】

【氏名又は名称】山田 毅彦

(72)【発明者】

【氏名】寺山 大地

(72)【発明者】

【氏名】國谷 知可

(72)【発明者】

【氏名】中西 舜也

【テーマコード（参考）】

4F205

【Ｆターム（参考）】

4F205AC03

4F205AD16

4F205AG03

4F205AJ08

4F205HA08

4F205HA14

4F205HA23

4F205HA45

4F205HB01

4F205HK03

4F205HK25

4F205HM13

4F205HT26

(57)【要約】

【課題】複数のプリプレグテープを捩って共通のローラに幅方向に並べて摺動可能に送り出すプリプレグテープのＡＦＰ装置において、各プリプレグテープの幅方向における位置ずれ量を低減できるようにすることである。
【解決手段】実施形態に係る繊維積層装置は、繊維強化プラスチックの素材である複数のプリプレグのテープを幅方向に並べて積層するものである。この繊維積層装置は、第１の回転軸を中心に回転することによって前記複数のプリプレグのテープを１枚づつ送り出す複数の第１のローラと、前記第１の回転軸とねじれの位置にある第２の回転軸を中心に回転することによって、前記複数の第１のローラから送り出される前記複数のプリプレグのテープを幅方向に並べて摺動可能に送り出す単一の第２のローラとを有し、前記複数の第１のローラのうち少なくとも１つに、前記第１の回転軸方向における位置を調整する第１の位置調整機構を設けた。
【選択図】 図１０

【特許請求の範囲】

【請求項1】

繊維強化プラスチックの素材である複数のプリプレグのテープを幅方向に並べて積層する繊維積層装置において、
第１の回転軸を中心に回転することによって前記複数のプリプレグのテープを１枚づつ送り出す複数の第１のローラと、
前記第１の回転軸とねじれの位置にある第２の回転軸を中心に回転することによって、前記複数の第１のローラから送り出される前記複数のプリプレグのテープを幅方向に並べて摺動可能に送り出す単一の第２のローラと、
を有し、
前記複数の第１のローラのうち少なくとも１つに、前記第１の回転軸方向における位置を調整する第１の位置調整機構を設けた繊維積層装置。

【請求項2】

前記第２のローラに、前記第２の回転軸方向に垂直な方向を含む位置を調整する第２の位置調整機構を設けた請求項１記載の繊維積層装置。

【請求項3】

前記第１の位置調整機構は、
前記第１のローラを回転自在に保持する回転シャフトとして機能するピンボルトと、
前記ピンボルトに固定され、前記第１のローラを前記第１の回転軸方向に押し付けるプッシャと、
前記第１のローラを前記プッシャによる押し付け方向と逆方向に押し返すばねと、
を有する請求項１記載の繊維積層装置。

【請求項4】

前記第２の位置調整機構を、前記第２の回転軸から偏心した回転軸を中心に回転する偏心ブッシュで構成した請求項２記載の繊維積層装置。

【請求項5】

請求項１乃至４のいずれか１項に記載の繊維積層装置で前記複数のプリプレグのテープを積層するステップと、
前記複数のプリプレグのテープに含まれる樹脂を硬化するステップと、
を有し、
前記テープを積層するステップに先立って前記第１の位置調整機構で前記複数の第１のローラのうちの前記少なくとも１つの前記第１の回転軸方向における位置を調整する複合材成形方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、繊維積層装置及び複合材成形方法に関する。

【背景技術】

【0002】

ガラス繊維強化プラスチック（ＧＦＲＰ：Ｇｌａｓｓ Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃｓ）や炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ：Ｃａｒｂｏｎ Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃｓ）等の複合材とも呼ばれる繊維強化プラスチック（Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃｓ）を成形するためには、シート状の繊維に未硬化の樹脂を含浸させたプリプレグのシートを積層した後、樹脂を硬化させることが必要となる。或いは、樹脂を含浸させる前のシート状の繊維を積層した後、樹脂を含浸させて硬化させることが必要となる。繊維を積層した後、樹脂を含浸させるＦＲＰの成形方法は、ＲＴＭ（Ｒｅｓｉｎ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｍｏｌｄｉｎｇ）法と呼ばれる。

【0003】

近年では、テープ状のプリプレグ又は繊維を自動的に積層する自動繊維積層（ＡＦＰ：Ａｕｔｏｍａｔｅｄ Ｆｉｂｅｒ Ｐｌａｃｅｍｅｎｔ）装置が市販されており、ＡＦＰ装置で積層するためのプリプレグテープの他、ドライテープと呼ばれる樹脂を含浸させる前のテープ状の繊維も市販されている。

【0004】

ＡＦＰ装置でプリプレグテープやドライテープ等のテープ材を積層する場合、複数のテープ材を同時に積層することにより、積層効率、すなわち単位時間当たりに積層されるテープ材の長さを向上することができる。このため、複数のテープ材を同時に積層できるように複数の積層ヘッドを備えたＡＦＰ装置が提案されている（例えば特許文献１及び特許文献２参照）。

【0005】

また、複数のプリプレグテープを幅方向に並べて隣接するテープ間におけるオーバーラップ量を変化させたり、各テープの幅を変化させたりすることによって、共通のローラから異なる幅で複数のプリプレグテープを送り出すことが可能なＡＦＰ装置も提案されている（例えば特許文献３及び特許文献４参照）。

【0006】

特許文献４に記載のＡＦＰ装置は、プリプレグテープの数だけテープの幅を変化させる幅調整機構を備えており、それぞれ幅調整機構で幅が調整された複数のプリプレグテープを幅方向に隙間なく並べてコンパクションローラと呼ばれる共通のローラでテーブルに送り出すことができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】特表２０１１－５２７６４８号公報

【特許文献2】特開２０２０－０５９１４５号公報

【特許文献3】特開２０２２－０４６３７９号公報

【特許文献4】特開２０２２－１３０１３３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

ＡＦＰ装置のヘッドが大型化することを回避したり、ヘッドを構成する部品間における干渉を回避したりするためには、特許文献４に示すように幅調整機構からコンパクションローラに向けて各プリプレグテープを捩って送り出すことが必要となる場合が多い。そのためには、各プリプレグテープを送り出すための上流側におけるローラの回転軸と、下流側におけるローラの回転軸を、ねじれの位置に配置することが必要となる。

【0009】

しかしながら、プリプレグテープを送り出すための各ローラの位置等に無視できない物理的な誤差がある場合や、プリプレグテープの品質によっては、捩った後のプリプレグテープの位置が本来の経路からずれることがある。これは、幅が変更し得る複数のプリプレグテープを隙間なく幅方向に並べて送り出す場合には、共通のローラで複数のプリプレグテープを摺動可能に送り出すことになるためである。つまり、複数のプリプレグテープを捩って共通のローラに送り出すと、各プリプレグテープが当該共通のローラ上において幅方向に滑り、狙った位置を通らない場合がある。

【0010】

プリプレグテープの位置が無視できないシフト量で幅方向にずれると、幅方向に隣接するプリプレグテープ間に望ましくない隙間やオーバーラップが生じることになる。このため、プリプレグテープの幅方向における無視できない量の位置ずれは、プリプレグテープの積層によって製作されるプリフォームの品質劣化に繋がる。すなわち、ＡＦＰ装置に求められるプリプレグテープの積層精度が得られなくなる場合がある。

【0011】

そこで本発明は、複数のプリプレグテープを捩って共通のローラに幅方向に並べて摺動可能に送り出すプリプレグテープのＡＦＰ装置において、各プリプレグテープの幅方向における位置ずれ量を低減できるようにすることを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0012】

本発明の実施形態に係る繊維積層装置は、繊維強化プラスチックの素材である複数のプリプレグのテープを幅方向に並べて積層するものである。この繊維積層装置は、第１の回転軸を中心に回転することによって前記複数のプリプレグのテープを１枚づつ送り出す複数の第１のローラと、前記第１の回転軸とねじれの位置にある第２の回転軸を中心に回転することによって、前記複数の第１のローラから送り出される前記複数のプリプレグのテープを幅方向に並べて摺動可能に送り出す単一の第２のローラとを有し、前記複数の第１のローラのうち少なくとも１つに、前記第１の回転軸方向における位置を調整する第１の位置調整機構を設けた。

【0013】

また、本発明の実施形態に係る複合材成形方法は、上述した繊維積層装置で前記複数のプリプレグのテープを積層するステップと、前記複数のプリプレグのテープに含まれる樹脂を硬化するステップとを有するものである。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】本発明の実施形態に係る繊維積層装置の全体的な概略構成を示す正面図。

【図2】図１に示す繊維積層装置の側面図。

【図3】図１に示す積層ヘッド内外における詳細構成例を示す側面図。

【図4】図３に示すテープ配列装置の詳細構成例を示す上面図。

【図5】図４に示すテープ配列装置に備えられる複数のピッチ調整用ローラを含む部分の左側面図。

【図6】図４に示す複数のピッチ調整用ローラを旋回機構で旋回させた例を示す図

【図7】従来のテープ配列装置の問題点を説明する図。

【図8】図４乃至図６に示すピッチ調整用ローラに設けられる第１の位置調整機構の具体的な構成例を示すピッチ調整用ローラ及び第１の位置調整機構の部分縦断面図。

【図9】図８に示す第１の位置調整機構でピッチ調整用ローラの位置を下方に移動した例を示すピッチ調整用ローラ及び第１の位置調整機構の部分縦断面図。

【図10】図８及び図９に例示される第１の位置調整機構で配列用ローラ上におけるプリプレグのテープの位置を調整する方法を説明する図。

【図11】図４及び図６に示す配列用ローラに設けられる第２の位置調整機構を偏心ブッシュで構成した例を示す偏心ブッシュ及び配列用ローラの斜視図。

【図12】図１１に示す偏心ブッシュの正面図。

【図13】図１２に示す偏心ブッシュを時計回りに回転させた例を示す図。

【図14】図１に示す繊維積層装置を用いてＦＲＰを成形する場合における流れを示すフローチャート。

【発明を実施するための形態】

【0015】

本発明の実施形態に係る繊維積層装置及び複合材成形方法について添付図面を参照して説明する。

【0016】

（繊維積層装置の構成及び機能）
図１は、本発明の実施形態に係る繊維積層装置１の全体的な概略構成を示す正面図であり、図２は、図１に示す繊維積層装置１の側面図である。

【0017】

繊維積層装置１は、ＦＲＰからなる複合材の素材であるプリプレグのテープＴを積層することによってプリプレグのテープＴの積層体を製作するためのＡＦＰ装置である。プリプレグは、熱可塑性樹脂又は未硬化の熱硬化性樹脂を含浸させたシート状の繊維である。繊維積層装置１は、プリプレグのテープＴを巻いたロールを素材としてプリプレグの積層体を製作するプリプレグの自動積層装置である。

【0018】

繊維積層装置１は、積層ヘッド２を懸垂するガントリ３、テーブル４及び制御装置５で構成することができる。積層ヘッド２は、プリプレグのテープＴを内部に収納し、プリプレグのテープＴを吐出しながらテーブル４上に送り出す装置である。特に、積層ヘッド２は、複数のプリプレグのテープＴを並列配置しながらテーブル４上に送り出す機能を有している。このため、積層ヘッド２には、複数のプリプレグのテープＴのクリールスタンドが格納される。

【0019】

テーブル４は、プリプレグのテープＴを積層するための台である。テーブル４には、プリプレグのテープＴを直接積層しても良いが、テーブル４に賦形型等の積層治具Ｊを載置し、積層治具Ｊの上にプリプレグのテープＴを積層することが、プリプレグの積層体への形状付与や清掃の観点から実用的である。従って、テーブル４には、直接又は積層治具Ｊを介して間接的にプリプレグのテープＴを積層することができる。

【0020】

ガントリ３は、積層ヘッド２を支持する支柱３Ａ等の支持機構の他、積層ヘッド２を任意軸方向に移動させる送り機構６を備えている。送り機構６は、積層ヘッド２を送り動作させる装置である。すなわち、送り機構６が積層ヘッド２をテーブル４に対して相対移動させることによって、プリプレグのテープＴをテーブル４側に積層位置を変えながら送り出すことができる。プリプレグのテープＴのテーブル４側への送り出し方向は、積層ヘッド２の移動方向と逆方向となる。

【0021】

送り機構６は、典型的な積層ヘッド２の直線移動に加えて、積層ヘッド２の回転移動を行えるように構成されている。従って、プリプレグのテープＴを直線的又は曲線的に送り出すことができる。換言すれば、プリプレグのテープＴの送り出し方向を変化させることができる。尚、積層ヘッド２の筐体自体を回転させずに、積層ヘッド２に取付けた部品を回転させるようにしても良い。

【0022】

図１及び図２に示す例では、送り機構６が、水平方向及び鉛直方向を含むＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸からなる直交３軸方向への平行移動に加えて、鉛直方向のＺ軸を回転軸とするＣ軸方向に積層ヘッド２を回転移動できるように構成されている。もちろん、テーブル４の表面に対して積層ヘッド２を傾斜させるチルト軸を設けても良い。また、積層ヘッド２の移動に加えて、或いは、積層ヘッド２の移動に代えて、テーブル４を送り機構６で積層ヘッド２に対して移動させるようにしても良い。

【0023】

積層ヘッド２やテーブル４を直線移動させるための移動機構は、例えば、電動モータ、油圧モータ或いは空気圧モータ等のモータと、モータを回転させるための電気回路、油圧回路或いは空気圧回路等の回路に加えて、ギアの一種であるラック・アンド・ピニオン、ボールねじ或いは無限軌道（クローラ）等のモータの回転運動を直線運動に変換する所望の機械要素を用いて構成することができる。或いは、モータを使用せずに油圧回路とピストンで移動機構を構成することもできる。

【0024】

一方、積層ヘッド２を回転移動させるための回転機構は、例えば、電動モータ、油圧モータ或いは空気圧モータ等のモータと、モータの動力で回転する回転シャフトを含む所望の機械要素で構成することができる。

【0025】

制御装置５は、送り機構６及び積層ヘッド２を自動制御する装置である。例えば、送り機構６を制御することによってテーブル４に対する積層ヘッド２の相対的な空間位置及び回転移動量を数値（ＮＣ：ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｃｏｎｔｒｏｌ）制御することができる。また、積層ヘッド２を制御することによって、積層ヘッド２からの複数のプリプレグのテープＴの送り出しの開始と終了並びに切断を自動的に行うことができる。制御装置５は、ガントリ３に内蔵又は取付けることができるが、操作盤等のユーザインターフェースや重量物は、ガントリ３の外部に設置しても良い。

【0026】

制御装置５で積層ヘッド２のＮＣ制御を行う場合には、制御装置５は、ＮＣプログラムを読込ませたコンピュータ等の電子回路で構成することができる。また、送り機構６が油圧式又は空気圧式である場合には、油圧回路又は空気圧回路を用いて制御装置５の一部を構成することができる。

【0027】

図３は、図１に示す積層ヘッド２内外における詳細構成例を示す側面図である。

【0028】

積層ヘッド２は、上述したように複数のプリプレグのテープＴを幅方向に並べてテーブル４上に送り出す機能を有している。そのために、積層ヘッド２には、図３に例示されるように、複数のボビン１０、複数の幅調整装置１１、テープ配列装置１２、テンションローラ１３、フィードローラ１４、カッタ１５及びコンパクションローラ１６を設けることができる。

【0029】

ボビン１０は、一定の幅を有するプリプレグのテープＴを巻き付けたテープＴのクリールスタンドである。ボビン１０は、テーブル４上に送り出す可能性があるテープＴの数だけ設けられる。尚、ボビン１０の一部を休止状態としたり、取外したりすることによってテーブル４上に送り出すテープＴの数を減じるようにしても良い。また、ボビン１０間でテープＴの幅を互いに異なる幅としても良い。

【0030】

幅調整装置１１は、必要に応じてボビン１０の後段に設けられ、各ボビン１０から供給されるテープＴの幅を所望の幅に変化させる装置である。例えば、日本国特開２０２０－９３４５４号公報に開示されているテープＴの幅を狭くする装置や日本国特願２０２２－１７５７６７の出願書類に記載されている装置を幅調整装置１１として用いることができる。幅調整装置１１を配置すれば、ボビン１０から供給されるテープＴの幅を所望の幅に変化させて供給することができる。一方、幅調整装置１１を配置しない場合には、幅が異なるテープＴのボビン１０と交換することによって、異なる幅を有するテープＴを供給することができる。

【0031】

航空機用のプリプレグのテープＴの幅は、単位をインチとして規格化されている場合が多い。上述したように積層ヘッド２を回転させてプリプレグのテープＴを曲線的にテーブル４上に送り出すステアリング積層を行う場合には、テープＴの幅を１／４インチ（６．３５ｍｍ）以下とすることが、プリプレグのテープＴの積層体として製作されるプリフォームの品質を維持する観点から望ましいことがプリフォームの試作試験によって確認された。このため、幅調整装置１１を設けるか否かを問わず、幅が１／４インチであるプリプレグのテープＴのボビン１０や幅が１／８インチであるプリプレグのテープＴのボビン１０をセットすることができる。

【0032】

テープ配列装置１２は、複数のボビン１０又は複数の幅調整装置１１から送り出された複数のテープＴの間隔（ピッチ）を調整した後、同一方向に配列して送り出す装置である。テープ配列装置１２の詳細構成については後述する。

【0033】

テンションローラ１３は、テープ配列装置１２から同一方向に送り出された複数のテープＴにテンションをかけることによってテープＴの弛みをはモータ１４Ｃの出力シャフトが連結される。このため、動力ローラ１４Ａはモータ１４Ｃの動力で回転する。サポートローラ１４Ｂは、動力ローラ１４Ａとの間で複数のテープＴを挟み込むためのローラである。

【0034】

もちろん、複数のテープＴを挟み込む２つのローラの双方をモータで回転させるようにしても良い。また、動力ローラ１４Ａの回転シャフトとモータ１４Ｃの出力シャフトとの間には、ギアの他、ワンウェイクラッチを連結しても良い。

【0035】

フィードローラ１４を駆動させるモータ１４Ｃは、制御装置５で制御することができる。このため、モータ１４Ｃの回転開始と回転停止の制御によって、テープＴの送り出しの開始と終了を制御することができる。

【0036】

カッタ１５は、同一方向に送り出された複数のテープＴの積層が完了した際に、テープＴを切断するための工具である。カッタ１５の動作は、制御装置５で制御することができる。

【0037】

図３に示す例では、カッタ１５が回転することによってカッタ１５の刃１５Ａを各テープＴに接触させる回転式となっているが、カッタ１５を平行移動させることによって、カッタ１５の刃１５Ａを各テープＴに接触させるようにしても良い。また、カッタ１５の刃１５Ａとの間で各テープＴを挟み込むための円筒状のローラ１５Ｂを設けることができる。

【0038】

コンパクションローラ１６は、同一方向に送り出された複数のテープＴに各テープＴの厚さ方向における圧力を付与しながらテーブル４に向けて送り出すための単一の円筒状のローラである。１層目のテープＴはコンパクションローラ１６で積層治具Ｊに押付けられることになり、２層目以降のテープＴは厚さ方向に隣接する下方の積層済みのテープＴに押付けられることになる。従って、コンパクションローラ１６は、幅方向に配列された複数のテープＴを、積層治具Ｊ又は厚さ方向に隣接する複数のテープＴに押付けながら送り出すローラである。

【0039】

テープＴの積層枚数が増えると、新たに積層するテープＴの高さは徐々に高くなる。このため、コンパクションローラ１６は鉛直方向にも移動させる必要がある。コンパクションローラ１６の鉛直方向における位置は、送り機構６で積層ヘッド２を鉛直方向に平行移動させることによって調整することができる。但し、コンパクションローラ１６を積層ヘッド２に対して相対的に上下移動させる駆動軸を設けても良い。

【0040】

同一方向に送り出された複数のテープＴをコンパクションローラ１６でテーブル４に対して水平方向に相対移動させれば、コンパクションローラ１６の移動方向と逆方向に複数のテープＴを送り出すことができる。複数のテープＴを水平方向に送り出すためには、コンパクションローラ１６の回転軸が概ね水平方向となるようにコンパクションローラ１６を配置することが重要となる。

【0041】

但し、凹凸を有する積層治具Ｊや凹凸を有する下方の積層済のテープＴの上にテープＴを積層する場合もあることから、鉛直方向における弾性や柔軟性をコンパクションローラ１６自体やコンパクションローラ１６の回転軸に付与しても良い。その場合には、コンパクションローラ１６の回転軸が必ずしも水平方向とはならない。

【0042】

各テープＴの先端がコンパクションローラ１６に到達した後は、動力を有するフィードローラ１４で各テープＴに張力を与えなくてもコンパクションローラ１６から付与される圧力によって各テープＴを送り出すことができる。そして、各テープＴの送り出し速度は、必然的にコンパクションローラ１６から送り出されるテープＴの速度となる。従って、各テープＴの先端がコンパクションローラ１６に到達した後は、フィードローラ１４で各テープＴに過剰な張力を与えることは各テープＴの弛みや突っ張りの原因となり、好ましくない。

【0043】

そこで、フィードローラ１４の動力ローラ１４Ａには、図３に例示されるシリンダ機構１４Ｄ或いはラック・アンド・ピニオンやボールねじ等の往復移動する機械要素を連結し、各テープＴの先端がコンパクションローラ１６に到達した後は、動力ローラ１４Ａを各テープＴから退避できるようにすることができる。但し、各テープＴの張力を適度に確保するために、フィードローラ１４を各テープＴと接触させ、フィードローラ１４に対して各テープＴを滑らせるようにしても良い。また、フィードローラ１４に代えて、或いはフィードローラ１４に加えて、日本国特願２０２２－０１３７７１の出願書類に開示されているベルトコンベアや吸引チャック付きのベルトコンベアを用いても良い。

【0044】

尚、複数のテープＴに隙間を空けて積層することが許容される場合には、換言すれば、複数のテープＴの幅の合計よりも、積層エリアの幅の方が広い場合には、複数のテープＴに隙間を空けてコンパクションローラ１６から送り出すようにしても良い。逆に、複数のテープＴを幅方向にオーバーラップさせてコンパクションローラ１６から送り出すようにしても良い。

【0045】

複数のテープＴを幅方向にオーバーラップさせずに並列配置し、複数のテープＴ間において送り出し速度を変えてコンパクションローラ１６から送り出す場合には、コンパクションローラ１６のみならずコンパクションローラ１６以外のローラで送り出されるテープＴの送り出し速度もテープＴ間において変えることが必要となる。すなわち、各テープＴを独立した送り出し速度で送り出すことが必要となる。

【0046】

そこで、コンパクションローラ１６の他、幅方向にオーバーラップさせずに並列配置された複数のテープＴの先端がコンパクションローラ１６に到達した後、引続き複数のテープＴと同時に接触して無視できない摩擦力が生じるテンションローラ１３等のローラについては、各テープＴを容易に独立した送り出し速度で送り出すことが可能な日本国特願２０２２－１５３１２８の出願書類に開示されている、互いに同一の直径を有する複数のサブローラを回転自在に共通の支持シャフトで支持した円筒状のテープ送り出し用のローラユニットで構成しても良い。

【0047】

次に上述したテープ配列装置１２の詳細構成について説明する。

【0048】

図４は、図３に示すテープ配列装置１２の詳細構成例を示す上面図、図５は、図４に示すテープ配列装置１２に備えられる複数のピッチ調整用ローラ２０を含む部分の左側面図である。

【0049】

図４及び図5に示すように、テープ配列装置１２は、複数のピッチ調整用ローラ２０、配列用ローラ２１、各ピッチ調整用ローラ２０をそれぞれ回転自在に保持する複数の支持フレーム２２及び支持フレーム２２を旋回させるピボット２３Ａを備えた旋回機構２３で構成することができる。旋回機構２３は、複数のリンクを回転自在にジョイントで連結したリンク機構等の所望の機構で構成することができる。従って、各ピッチ調整用ローラ２０を支持するための各支持フレーム２２を、旋回機構２３を構成するリンクの１つとしても良い。

【0050】

複数のピッチ調整用ローラ２０は、複数のプリプレグのテープＴを配列用ローラ２１に向けて幅方向に摺動しないように１枚づつ個別に送り出すローラである。従って、ピッチ調整用ローラ２０は、複数のボビン１０又は複数の幅調整装置１１から送り出される可能性があるプリプレグのテープＴの数と同じ数だけ設けられる。

【0051】

各ピッチ調整用ローラ２０は、各ピッチ調整用ローラ２０の回転中心となる第１の回転軸ＡＸ１が、配列用ローラ２１の回転中心となる第２の回転軸ＡＸ２に対してねじれの位置となるように配置される。すなわち、各ピッチ調整用ローラ２０は、それぞれ配列用ローラ２１の第２の回転軸ＡＸ２と平行でなく、かつ延長した場合に交差することもない、ねじれの位置にある第１の回転軸ＡＸ１を中心に回転する。

【0052】

一方、配列用ローラ２１は、複数のピッチ調整用ローラ２０から送り出される複数のプリプレグのテープＴを幅方向に並べて摺動可能に送り出す単一のローラである。換言すれば、配列用ローラ２１は、複数のピッチ調整用ローラ２０から送り出された複数のプリプレグのテープＴを、厚さ方向及び長さ方向が概ね平行となるように配列して同一の送り出し方向に送り出すための円筒状のローラである。従って、配列用ローラ２１は、コンパクションローラ１６やテンションローラ１３等のローラと同様に、日本国特願２０２２－１５３１２８の出願書類に開示されている、互いに同一の直径を有する複数のサブローラを回転自在に共通の支持シャフトで支持した円筒状のテープ送り出し用のローラユニットで構成しても良い。

【0053】

配列用ローラ２１は、複数のピッチ調整用ローラ２０の第１の回転軸ＡＸ１とそれぞれねじれの位置にある第２の回転軸ＡＸ２を中心に回転する。このため、複数のピッチ調整用ローラ２０から送り出される複数のプリプレグのテープＴは、それぞれ捩られた後、配列用ローラ２１に到達する。具体的には、複数のピッチ調整用ローラ２０から送り出された直後における各プリプレグのテープＴの厚さ方向は、各ピッチ調整用ローラ２０の第１の回転軸ＡＸ１にそれぞれ垂直となるが、配列用ローラ２１に到達した各プリプレグのテープＴの厚さ方向は、配列用ローラ２１の第２の回転軸ＡＸ２にそれぞれ垂直となる。

【0054】

図６は、図４に示す複数のピッチ調整用ローラ２０を旋回機構２３で旋回させた例を示す図である。

【0055】

図６に示すように旋回機構２３でピボット２３Ａを中心に支持フレーム２２を旋回させると、支持フレーム２２で保持された各ピッチ調整用ローラ２０は、ピボット２３Ａを中心に回転する。この場合、複数のピッチ調整用ローラ２０の第１の回転軸ＡＸ１を、それぞれ配列用ローラ２１の第２の回転軸ＡＸ２を含む面に投影して得られる複数の線分の間隔は、支持フレーム２２の回転角度に応じて変化する。

【0056】

各ピッチ調整用ローラ２０は、テープＴの最大幅に合わせて決定した間隔でフランジを形成した円筒状のローラで構成される。従って、各ピッチ調整用ローラ２０に対して各テープＴは幅方向に摺動可能とはならない。これに対して、配列用ローラ２１上では、各プリプレグのテープＴが幅方向に摺動可能である。

【0057】

このため、旋回機構２３による支持フレーム２２の旋回角度θを制御することによって、複数のピッチ調整用ローラ２０から配列用ローラ２１に向けて送り出される複数のプリプレグのテープＴのピッチを調整することができる。より具体的には、複数のピッチ調整用ローラ２０の第１の回転軸ＡＸ１を、それぞれ配列用ローラ２１の第２の回転軸ＡＸ２を含む面に投影して得られる複数の線分の間隔が変化すると、変化後の間隔に合わせて各プリプレグのテープＴが配列用ローラ２１上において幅方向に滑るため、配列用ローラ２１から送り出される配列後におけるプリプレグのテープＴの間隔も調整することができる。

【0058】

尚、複数のピッチ調整用ローラ２０の第１の回転軸ＡＸ１同士は、必ずしも平行でなくてもテープＴのピッチを変化させることはできるが、図４乃至図６に例示されるように互いに平行に配置することが、テープＴのピッチの制御を簡明にする観点から現実的である。特に、図４乃至図６に例示されるように、第２の回転軸ＡＸ２を含む面に複数の第１の回転軸ＡＸ１を投影して得られる複数の線分がそれぞれ第２の回転軸ＡＸ２と垂直となるように複数のピッチ調整用ローラ２０と配列用ローラ２１を配置すれば、第２の回転軸ＡＸ２を含む面に複数の第１の回転軸ＡＸ１を投影して得られる複数の線分の間隔をテープＴ間におけるピッチの制御値とすることができる。

【0059】

この場合、旋回機構２３のピボット２３Ａを第１の回転軸ＡＸ１と平行にすれば、ピッチ調整用ローラ２０の旋回角度θと、テープＴ間におけるピッチとの間における関係を幾何学的に容易に求めることが可能となる。

【0060】

配列用ローラ２１で配列された複数のプリプレグのテープＴは、最終的にコンパクションローラ１６に送り出されることになる。このため、配列用ローラ２１の第２の回転軸ＡＸ２は、コンパクションローラ１６の回転軸と同様に概ね水平方向とすることが合理的である。一方、各ピッチ調整用ローラ２０の第１の回転軸ＡＸ１は、図４乃至図６に例示されるように鉛直方向とすることがテープ配列装置１２の構成の簡易化及び制御の容易化に繋がる。

【0061】

以上のように、旋回機構２３で回転する複数のピッチ調整用ローラ２０でプリプレグのテープＴのピッチを調整した後、配列用ローラ２１で各テープＴの送り出し方向が同一となるように各テープＴを配列することができる。

【0062】

尚、図４乃至図６に示す例では、各テープＴが単一のピッチ調整用ローラ２０で送り出されるようになっているが、日本国特開２０２２－１３０１３３号公報に例示されるように一対のピッチ調整用ローラ２０で各テープＴを挟み込んで送り出すようにしたり、積層ヘッド２の大型化を回避するために、ピッチ調整用ローラ２０の旋回半径が短くなるようにピッチ調整用ローラ２０を２組に分け、ピボット２３Ａを中心に複数のピッチ調整用ローラ２０をＶ字型に旋回させるようにしたりしても良い。また、複数のピボット２３Ａを中心に複数組の複数のピッチ調整用ローラ２０を旋回させるようにしても良い。

【0063】

更に、積層ヘッド２に複数のテープ配列装置１２を設けたり、或いは、単一のテープ配列装置１２に複数の配列用ローラ２１を設けたりしても良い。その場合には、間隔を空けて配列された複数のプリプレグのテープＴが各配列用ローラ２１から送り出される。このため、間隔を空けて配列した複数組の複数のプリプレグのテープＴを、後方に配置した別の配列用ローラで交互に再配列したり、日本国特開２０２２－１３０１３３号公報に例示されるようにコンパクションローラで交互に再配列したりすることができる。

【0064】

図７は、従来のテープ配列装置３０の問題点を説明する図である。

【0065】

複数のピッチ調整用ローラ３１で複数のプリプレグのテープＴのピッチを調整した後、共通の配列用ローラ３２で各テープＴを配列する従来のテープ配列装置３０で複数のテープＴを配列しようとすると、各テープＴが配列用ローラ３２上において狙った位置から幅方向にずれることがある。すなわち、配列用ローラ３２から送り出されるテープＴのピッチが狙ったピッチとならないことがある。これは、ピッチ調整用ローラ３１と配列用ローラ３２との間において各テープＴが捩れる上、配列用ローラ３２上において各テープＴが幅方向に滑るためである。

【0066】

そこで、図４乃至図６に示すように、複数のピッチ調整用ローラ２０のうち少なくとも１つのピッチ調整用ローラ２０には、第１の回転軸ＡＸ１方向におけるピッチ調整用ローラ２０の位置を調整する第１の位置調整機構２４が設けられる。

【0067】

図８は、図４乃至図６に示すピッチ調整用ローラ２０に設けられる第１の位置調整機構２４の具体的な構成例を示すピッチ調整用ローラ２０及び第１の位置調整機構２４の部分縦断面図であり、図９は、図８に示す第１の位置調整機構２４でピッチ調整用ローラ２０の位置を下方に移動した例を示すピッチ調整用ローラ２０及び第１の位置調整機構２４の部分縦断面図である。

【0068】

図８及び図９に例示されるように、各ピッチ調整用ローラ２０は、両端が開口端となっている円筒状のローラ本体２０Ａの中心に形成される貫通孔の両端部分に１対のベアリング２０Ｂの各外輪を固定した構成とすることができる。ローラ本体２０Ａの円筒状の表面の両端には、テープＴの幅方向への位置ずれを防止するための円環状のフランジ２０Ｃが形成される。これにより、フランジ２０Ｃ間におけるローラ本体２０Ａの円筒状の表面の部分が、テープＴと接触するピッチ調整用ローラ２０の表面となる。また、一対のベアリング２０Ｂの内輪間には、内輪を軸方向に支持するための円筒状のスペーサ２０Ｄを配置することができる。

【0069】

一方、第１の位置調整機構２４は、ピンボルト４０、プッシャ４１及びばね４２で構成することができる。ピンボルト４０のシャフト部分は、ベアリング２０Ｂの内輪の内側に摺動可能に挿入されることによって、ピッチ調整用ローラ２０を回転自在に保持する回転シャフトとして機能する。

【0070】

従って、ピンボルト４０は、ピッチ調整用ローラ２０を保持するための２本の支持フレーム２２Ａ、２２Ｂにそれぞれ設けられた貫通孔に回転シャフトとして挿入される。ピンボルト４０の頭側における支持フレーム２２Ａの貫通孔には、ピンボルト４０のシャフト部分が回転可能に挿入される。一方、ピンボルト４０の先端側における支持フレーム２２Ｂの貫通孔には、ピンボルト４０の雄ねじを締付けるための雌ねじが形成される。従って、ピンボルト４０を回転させると、ピンボルト４０は２本の支持フレーム２２Ａ、２２Ｂに対してピンボルト４０の長さ方向に移動する。また、ピンボルト４０の先端側における雌ねじを設けた支持フレーム２２Ｂは、第１の位置調整機構２４の部品を兼ねていると言うこともできる。

【0071】

ピンボルト４０の頭側における支持フレーム２２Ａと、ピッチ調整用ローラ２０との間に配置されるピンボルト４０のシャフト部分には、ピッチ調整用ローラ２０を第１の回転軸ＡＸ１方向に押し付けるプッシャ４１が固定される。図８及び図９に示す例では、プッシャ４１として、ベアリング２０Ｂの内輪のみと接触するリング状の止め輪がピンボルト４０のシャフトに固定されているが、ローラ本体２０Ａの回転を妨げないようにベアリング２０Ｂの内輪を第１の回転軸ＡＸ１方向に押し付けることが可能であればプッシャ４１の形状は任意である。

【0072】

他方、ピンボルト４０の先端側における支持フレーム２２Ｂと、ピッチ調整用ローラ２０との間には、ピッチ調整用ローラ２０をプッシャ４１による押し付け方向と逆方向に押し返すばね４２が配置される。図８及び図９に示す例では、ピンボルト４０のシャフトを直径が同一のリング状の複数の皿ばねの各貫通孔に挿入することによって、ピンボルト４０のシャフトに対して回転自在に複数の皿ばねが直列に配置されている。各皿ばねのサイズは、ピッチ調整用ローラ２０に最も近い位置に配置される皿ばねがベアリング２０Ｂの内輪のみと接触するように決定される。従って、ローラ本体２０Ａの回転を妨げることなく、ばね４２でピッチ調整用ローラ２０を第１の回転軸ＡＸ１方向に押し付けることができる。

【0073】

もちろん、ばね４２としてコイルばね等の皿ばね以外のばねを用いても良い。但し、皿ばねを用いれば、皿ばねの数を変えることによって容易にばね４２の全長を調整することができる。このため、支持フレーム２２Ａ、２２Ｂの間隔に合わせてばね４２の全長を調整することが可能となる。従って、図７に示す従来のピッチ調整用ローラ３１に第１の位置調整機構２４を追加する改修を行う場合のように、支持フレーム２２Ａ、２２Ｂの間隔を容易に変更できない場合であっても、第１の位置調整機構２４をピッチ調整用ローラ２０に容易に設けることができる。

【0074】

ピッチ調整用ローラ２０が両側からプッシャ４１とばね４２で挟み込まれるように、プッシャ４１の第１の回転軸ＡＸ１方向における位置と、ばね４２の全長を適切に決定すると、ピッチ調整用ローラ２０の第１の回転軸ＡＸ１方向における位置は、プッシャ４１に隣接する位置となる。従って、ピンボルト４０を回転させてピンボルト４０を長さ方向に移動すると、ピッチ調整用ローラ２０を、ピンボルト４０の長さ方向と同一直線上となる第１の回転軸ＡＸ１方向に移動させることができる。

【0075】

尚、ピンボルト４０の先端側における支持フレーム２２Ｂと、ピッチ調整用ローラ２０との間に配置されるピンボルト４０のシャフト部分に止め輪等のプッシャ４１を固定する一方、ピンボルト４０の頭側における支持フレーム２２Ａと、ピッチ調整用ローラ２０との間に複数の皿ばね等で構成されるばね４２を配置しても良い。換言すれば、図８及び図９において、ピンボルト４０の向きを上下反転させても良い。

【0076】

ピンボルト４０は、ステンレスや炭素鋼等の鉄系の金属で構成される場合が多い。一方、複数のピッチ調整用ローラ２０を保持しながら旋回させる支持フレーム２２Ａ、２２Ｂについても、ステンレスや炭素鋼等の鉄系の金属で構成することが現実的である。このため、プッシャ４１やローラ本体２０Ａについても、ステンレスや炭素鋼等の鉄系の金属で構成することができる。

【0077】

ピンボルト４０は、ピンボルト４０の頭の形状に応じた六角棒レンチ、ソケットレンチ或いはオープンレンチ（スパナ）等のレンチで作業者が回転させることができる。すなわち、ピンボルト４０の回転によるピッチ調整用ローラ２０の位置調整は作業者が手動で行うことができる。これは、ピッチ調整用ローラ２０の位置調整は、図７に示すようなテープＴの幅方向における位置ずれを低減するためにテープＴの積層に先立つ繊維積層装置１のメンテナンスとして行っておけば、テープＴの積層中に行う必要が無い場合が多いと考えられるためである。但し、テープＴの積層中において、より精密な微調整を行えるようにしたり、作業者の熟練度を不要にしたりできるように、ピンボルト４０をモータで自動回転させるようにしても良い。

【0078】

ピッチ調整用ローラ２０が、日本国特開２０２２－１３０１３３号公報に例示されるように一対のローラでテープＴを挟み込んで送り出すローラユニットである場合には、双方のローラにピンボルト４０で構成される第１の位置調整機構２４を設けることができる。或いは、一方のローラをメインローラとする一方、他方のローラをサブローラとし、メインローラのみにピンボルト４０で構成される第１の位置調整機構２４を設ける一方、サブローラの長さをメインローラの移動範囲をカバーできる長さとしても良い。

【0079】

また、ピンボルト４０以外の機械要素で第１の位置調整機構２４を構成する場合の例としては、エアシリンダ、電動シリンダ或いは油圧シリンダ等のシリンダチューブ内をピストンが往復するシリンダ機構でピストンに連結したロッドを伸縮させ、ロッドの先端をピッチ調整用ローラ２０と連結することによってピッチ調整用ローラ２０を第１の回転軸ＡＸ１方向に往復移動させる機構や、ギアの一種であるラック・アンド・ピニオンのラック側をピッチ調整用ローラ２０と連結することによってピッチ調整用ローラ２０を第１の回転軸ＡＸ１方向に往復移動させる機構で第１の位置調整機構２４を構成する例が挙げられる。

【0080】

図１０は、図８及び図９に例示される第１の位置調整機構２４で配列用ローラ２１上におけるプリプレグのテープＴの位置を調整する方法を説明する図である。

【0081】

図１０に示すようにピッチ調整用ローラ２０から配列用ローラ２１にテープＴを捩って送り出すと、摩擦力等を無視すれば、テープＴは理論的に最短ルートを通ることになる。フランジ２０Ｃを有するピッチ調整用ローラ２０を第１の回転軸ＡＸ１方向に移動させると、幅方向が第１の回転軸ＡＸ１方向となっているテープＴも第１の回転軸ＡＸ１方向に移動する。そうすると、ピッチ調整用ローラ２０からのテープＴの離脱位置から配列用ローラ２１までの最短距離と共に、テープＴの最短ルートも変化する。その結果、配列用ローラ２１上において幅方向に摺動可能なテープＴの位置を幅方向にスライドさせることができる。

【0082】

具体例として、図１０に例示されるように、テープＴの進行方向に向かって反時計回りにテープＴを捩ってピッチ調整用ローラ２０から配列用ローラ２１にテープＴが送り出される場合において、第１の回転軸ＡＸ１方向が鉛直方向となっているピッチ調整用ローラ２０を下方に移動させると、第２の回転軸ＡＸ２方向が水平方向となっている配列用ローラ２１上において、テープＴはテープＴの進行方向に向かって右方向にスライドする。

【0083】

従って、各ピッチ調整用ローラ２０の第１の回転軸ＡＸ１方向における位置をそれぞれ第１の位置調整機構２４で調整すれば、配列用ローラ２１上における各テープＴの幅方向における位置を調整することができる。つまり、配列用ローラ２１上における各テープＴの幅方向における位置ずれを補正し、配列用ローラ２１上における各テープＴのピッチを、第１の回転軸ＡＸ１の間隔に対応する狙ったピッチとすることができる。

【0084】

但し、干渉等によって全てのピッチ調整用ローラ２０に第１の位置調整機構２４を設けることが物理的に困難な場合や全てのピッチ調整用ローラ２０に第１の位置調整機構２４を設けることが好ましくない場合には、上述したように第１の位置調整機構２４を設けることが可能な少なくとも１つのピッチ調整用ローラ２０にのみ第１の位置調整機構２４を設けるようにしても良い。逆に言えば、複数のピッチ調整用ローラ２０のうち少なくとも１つのピッチ調整用ローラ２０には、第１の回転軸ＡＸ１方向における位置を調整する第１の位置調整機構２４を設けないようにしても良い。

【0085】

その場合には、複数のピッチ調整用ローラ２０から送り出される複数のプリプレグのテープＴのうち、少なくとも１つのテープＴの配列用ローラ２１上における幅方向の位置が、第１の位置調整機構２４によって調整されることになる。逆に、複数のピッチ調整用ローラ２０から送り出される複数のプリプレグのテープＴのうち、少なくとも１つのテープＴの配列用ローラ２１上における幅方向の位置については、第１の位置調整機構２４によって調整することができない。

【0086】

具体例として、図４乃至図６に例示されるように支持フレーム２２を旋回させる旋回機構２３のピボット２３Ａを回転可能に支持する金具２３Ｂ等とピンボルトの頭との間における干渉を回避するために、ピボット２３Ａに最も近い２本のピッチ調整用ローラ２０に第１の位置調整機構２４を設けることが困難である場合には、第１の位置調整機構２４を設けなくても良い。

【0087】

その代わりに、配列用ローラ２１の位置を調整する第２の位置調整機構２５を配列用ローラ２１に設けることができる。第２の位置調整機構２５は、第２の回転軸ＡＸ２方向に垂直な方向を含む配列用ローラ２１の位置を調整する装置である。これにより、第１の位置調整機構２４によって配列用ローラ２１上における幅方向の位置を調整できないテープＴについては、第２の位置調整機構２５で調整することができる。すなわち、第１の位置調整機構２４によって幅方向における位置ずれを補正できないテープＴの幅方向における位置ずれを第２の位置調整機構２５で補正することが可能となる。

【0088】

図１１は、図４及び図６に示す配列用ローラ２１に設けられる第２の位置調整機構２５を偏心ブッシュ５０で構成した例を示す偏心ブッシュ５０及び配列用ローラ２１の斜視図、図１２は、図１１に示す偏心ブッシュ５０の正面図、図１３は、図１２に示す偏心ブッシュ５０を時計回りに回転させた例を示す図である。

【0089】

図１１乃至図１３等に例示されるように配列用ローラ２１の両端に、第２の回転軸ＡＸ２の位置を変化させる一対の偏心ブッシュ５０を第２の位置調整機構２５として設けることができる。偏心ブッシュ５０は、第２の回転軸ＡＸ２から偏心した回転軸を中心に回転するブッシュである。

【0090】

図１１乃至図１３に示すように各偏心ブッシュ５０の回転中心と、配列用ローラ２１の第２の回転軸ＡＸ２は同一直線上になく、局所的に平行となっている。従って、偏心ブッシュ５０を図１２に示す初期位置から回転させれば、図１３に示すように配列用ローラ２１の第２の回転軸ＡＸ２及び回転シャフト２１Ａの位置を、第２の回転軸ＡＸ２及び回転シャフト２１Ａに垂直な平面上において円弧に沿って変化させることができる。

【0091】

配列用ローラ２１をピッチ調整用ローラ２０の第１の回転軸ＡＸ１と平行な方向に移動させれば、図１０を参照して説明したように、全てのピッチ調整用ローラ２０を第１の回転軸ＡＸ１方向に向かって配列用ローラ２１の移動方向と逆方向に移動させた場合と同等な効果が得られる。すなわち、各ピッチ調整用ローラ２０から配列用ローラ２１までの各テープＴの最短経路が変化するため、配列用ローラ２１上における各テープＴの幅方向における位置を微調整することができる。

【0092】

尚、偏心ブッシュ５０で配列用ローラ２１の位置を変化させる場合には、ピッチ調整用ローラ２０の第１の回転軸ＡＸ１及び配列用ローラ２１の第２の回転軸ＡＸ２の双方と垂直な方向における配列用ローラ２１の位置も変化することになる。従って、厳密には、各ピッチ調整用ローラ２０から配列用ローラ２１までの各テープＴの最短経路は、第１の回転軸ＡＸ１方向における配列用ローラ２１の位置の変化のみならず、第１の回転軸ＡＸ１及び第２の回転軸ＡＸ２の双方と垂直な方向における配列用ローラ２１の位置の変化によっても変化することになる。

【0093】

また、配列用ローラ２１の両端に設けられる各偏心ブッシュ５０を互いに独立して操作できるようにしても良い。その場合には、配列用ローラ２１の第２の回転軸ＡＸ２が調整前における方向に対して僅かに傾斜する場合がある。すなわち、配列用ローラ２１の第２の回転軸ＡＸ２が初期状態において水平方向であったとしても、偏心ブッシュ５０による位置の調整後には水平方向とならない場合がある。従って、偏心ブッシュ５０の回転軸と、配列用ローラ２１の第２の回転軸ＡＸ２は、大局的には平行になるとは限らない。

【0094】

図１１乃至図１３に示す例では、作業者が目盛りを参照しながらダイヤルを兼ねた偏心ブッシュ５０を直接手作業で回転できるようになっているが、偏心ブッシュ５０にレバーやハンドルを連結しても良い。また、偏心ブッシュ５０の偏心する孔に配列用ローラ２１の回転シャフト２１Ａを回転可能に滑合させたり、或いは、偏心ブッシュ５０に内歯車を形成する一方、配列用ローラ２１の回転シャフト２１Ａに偏心ブッシュ５０の内歯車と噛み合う外歯車を固定したりすることによって、配列用ローラ２１の回転シャフト２１Ａを偏心ブッシュ５０に回転可能に連結することができる。

【0095】

偏心ブッシュ５０以外の機械要素で第２の位置調整機構２５を構成する場合の例としては、配列用ローラ２１の回転シャフト２１Ａの両端を第２の回転軸ＡＸ２に垂直な平面上において先端が回転振子のように往復する一対の棒状のフレームで支持する機構、配列用ローラ２１の回転シャフト２１Ａの両端を第２の回転軸ＡＸ２に垂直な方向に往復移動させるエアシリンダ、電動シリンダ或いは油圧シリンダ等の一対のシリンダ機構又は一対のラック・アンド・ピニオンで支持する機構、配列用ローラ２１の回転シャフト２１Ａの両端に連結した動滑車やスプロケットを配列用ローラ２１の自重を利用してベルト、ワイヤ又はチェーンで鉛直方向に移動させる機構で第２の位置調整機構２５を構成する例が挙げられる。

【0096】

偏心ブッシュ５０等の第２の位置調整機構２５で配列用ローラ２１の位置を調整すると、配列用ローラ２１と接触する全てのテープＴの位置が同時に変化することになる。このため、第２の位置調整機構２５で配列用ローラ２１と接触する複数のテープＴの位置を調整した後、第１の位置調整機構２４で位置調整することが可能な各テープＴの位置調整を個別に行うことが合理的である。

【0097】

（複合材成形方法）
次に繊維積層装置１を用いた複合材成形方法について説明する。

【0098】

図１４は、図１に示す繊維積層装置１を用いてＦＲＰを成形する場合における流れを示すフローチャートである。

【0099】

ＦＲＰの成形を行う場合には、まずプリプレグのテープＴの積層と賦形によって、成形後のＦＲＰの形状に対応する形状を有するプリフォームが製作される。そのために、プリプレグのテープＴを積層するための単純な形状を有する積層治具Ｊと、プリプレグのテープＴの積層体を賦形するための複雑な形状を有する賦形治具を別々に準備し、積層治具Ｊに積層したプリプレグのテープＴの積層体を賦形治具に載せ替えて賦形を行っても良いし、積層治具Ｊと賦形治具を共通にしても良い。

【0100】

プリプレグのテープＴを積層治具Ｊに積層する作業は、図１乃至図６等に例示されるテープ配列装置１２を備えた繊維積層装置１で行われる。但し、プリプレグのテープＴの積層に先立って各ピッチ調整用ローラ２０及び配列用ローラ２１の位置調整が行われる。具体的には、実際に繊維積層装置１から複数のプリプレグのテープＴを試験的に送り出し、送り出された複数のテープＴの位置又は間隔が確認される。そして、確認された複数のテープＴの位置又は間隔に基づいてピッチ調整用ローラ２０及び配列用ローラ２１の各位置調整が行われる。尚、試験用のテープＴを送り出してピッチ調整用ローラ２０及び配列用ローラ２１の各位置を調整する際には、プリフォームの製作用の積層治具Ｊとは別の治具をテーブル４に載置しても良い。

【0101】

上述したように、ピッチ調整用ローラ２０の位置は、第１の位置調整機構２４によって第１の回転軸ＡＸ１方向に調整される。一方、配列用ローラ２１の位置は、第２の位置調整機構２５によって第２の回転軸ＡＸ２方向に垂直な方向を含む方向に調整される。従って、第１の位置調整機構２４が設けられていないピッチ調整用ローラ２０がある場合には、第１の位置調整機構２４が設けられているピッチ調整用ローラ２０のみの位置調整が行われる。また、第２の位置調整機構２５が省略されている場合には、配列用ローラ２１の位置調整は行われず、第１の位置調整機構２４が設けられているピッチ調整用ローラ２０のみの位置調整が行われる。

【0102】

図１１乃至図１３等に例示されているように、第１の位置調整機構２４が設けられていないピッチ調整用ローラ２０から送り出されるテープＴの位置を調整できるように配列用ローラ２１に偏心ブッシュ５０等の第２の位置調整機構２５が設けられている場合には、第１の位置調整機構２４が設けられていないピッチ調整用ローラ２０から送り出されるテープＴの位置を第２の位置調整機構２５による配列用ローラ２１の位置調整によって先に微調整した後、第１の位置調整機構２４が設けられているピッチ調整用ローラ２０から送り出される各テープＴの位置をそれぞれ第１の位置調整機構２４によるピッチ調整用ローラ２０の位置調整によって微調整することが合理的である。

【0103】

そこで、ステップＳ１において、繊維積層装置１からＦＲＰの製作のために積層されるプリプレグのテープＴと同じテープＴが試験用のテープＴとして送り出される。そのために、積層に使用する幅のプリプレグのテープＴを巻き付けた複数のボビン１０が積層ヘッド２にセットされる。この時、各テープＴの先端はフィードローラ１４を構成する動力ローラ１４Ａとサポートローラ１４Ｂで挟み込まれる。

【0104】

次に、制御装置５による制御下で繊維積層装置１を作動させるとフィードローラ１４のモータ１４Ｃが駆動し、動力ローラ１４Ａが回転する。これにより、各テープＴの先端が同一の送り出し速度で送り出される。すなわち、各ボビン１０から幅調整装置１１、テープ配列装置１２及びテンションローラ１３を経由するテープＴが同一の送り出し速度で送り出される。

【0105】

この際、制御装置５による制御下においてテープ配列装置１２を構成する旋回機構２３が駆動し、複数のピッチ調整用ローラ２０がピボット２３Ａを中心に旋回する。これにより、テープＴの幅方向におけるピッチが制御される。

【0106】

各テープＴの先端が積層治具Ｊの表面に到達すると制御装置５による統括制御下で送り機構６が駆動し、積層ヘッド２が各テープＴの送り出し方向と逆方向に移動する。このため、コンパクションローラ１６が積層治具Ｊ等に対して各テープＴの送り出し方向と逆方向に移動し、各テープＴの先端がコンパクションローラ１６と積層治具Ｊで挟み込まれる。すなわち、各テープＴの先端がコンパクションローラ１６に到達する。

【0107】

そうすると、制御装置５による統括制御下でシリンダ機構１４Ｄが駆動し、動力ローラ１４Ａが各テープＴから退避する。このため、積層ヘッド２を引続き各テープＴの送り出し方向と逆方向に移動させると、各テープＴは送り出し方向に送り出され、各テープＴの送り出し速度は、コンパクションローラ１６から圧力を受けながら送り出されるテープＴの速度、すなわちコンパクションローラ１６及び積層ヘッド２に対するテーブル４及び積層治具Ｊ等の相対速度となる。

【0108】

試験用のテープＴが積層治具Ｊ等に送り出されると、各テープＴの位置を確認することが可能となる。そこで、先に位置の微調整を行うべきテープＴである第１の位置調整機構２４が設けられていないピッチ調整用ローラ２０から送り出されるテープＴを基準テープとし、ステップＳ２において、基準テープの位置の確認を行うことができる。

【0109】

図４乃至図６に例示されるように第１の位置調整機構２４が設けられていないピッチ調整用ローラ２０が複数個存在する場合には、基準テープの数も複数となる。その場合には、基準テープの位置を確認すると共に基準テープ間の間隔を測定するようにしても良い。基準テープの位置及び間隔は、スケールやメジャー等の公知の測定器で基準位置からの距離等として測定することができる。

【0110】

次に、ステップＳ３において、各基準テープの位置が適切であるか否かが判定される。すなわち、各基準テープの位置がそれぞれ各ピッチ調整用ローラ２０の旋回角度θに対応する目標位置となっているか否かが判定される。

【0111】

そして、各基準テープの位置が適切でないと判定された場合には、ステップＳ４において、図１１乃至図１３に例示される偏心ブッシュ５０等の第２の位置調整機構２５で配列用ローラ２１の位置が調整される。この配列用ローラ２１の位置調整は、ステップＳ３において、各基準テープの位置が適切であると判定されるまで繰り返される。

【0112】

ステップＳ３において、各基準テープの位置が適切であると判定されると、ステップＳ５において、ステップＳ１における試験用のテープＴの送り出しと同様な流れで、引き続き試験用のテープＴが送り出される。そうすると、ステップＳ６において、基準テープ以外の残りのテープＴ、すなわち第１の位置調整機構２４が設けられているピッチ調整用ローラ２０から送り出されたテープＴの各位置を確認することが可能となる。

【0113】

次に、ステップＳ７において、基準テープ以外の残りのテープＴの各位置が適切であるか否かが判定される。すなわち、基準テープ以外の残りのテープＴの各位置がそれぞれ各ピッチ調整用ローラ２０の旋回角度に対応する目標位置となっているか否かが判定される。

【0114】

そして、基準テープ以外の残りのテープＴの少なくとも１つの位置が適切でないと判定された場合には、ステップＳ８において、図８及び図９に例示されるピンボルト４０等で構成される第１の位置調整機構２４で、位置が適切となっていないテープＴを送り出したピッチ調整用ローラ２０の第１の回転軸ＡＸ１方向における位置が調整される。この少なくとも１つのピッチ調整用ローラ２０の位置調整は、ステップＳ７において、全てのテープＴの位置が適切であると判定されるまで繰り返される。

【0115】

ステップＳ７において、全てのテープＴの位置が適切であると判定されると、ステップＳ９において、プリフォームの製作のためのプリプレグのテープＴの積層を行うことができる。すなわち、繊維積層装置１で複数のプリプレグのテープＴを幅方向に並べて積層治具Ｊ上に積層することができる。

【0116】

プリフォームの製作用のプリプレグのテープＴは、試験用のテープＴと同様に送り出すことができる。但し、プリフォームの製作用のプリプレグのテープＴを送り出す場合には、ピッチ調整用ローラ２０及び配列用ローラ２１が調整後の位置に固定される。このため、複数のプリプレグのテープＴをそれぞれ幅方向における正確な位置に並べ、正確なピッチで送り出すことができる。

【0117】

加えて、プリフォームの製作用のプリプレグのテープＴを送り出す場合には、ＦＲＰの形状に応じた繊維積層装置１の自動制御プログラムを制御装置５に読み込ませることによって、複数のテープＴを曲線的に送り出すステアリング積層を行うことはもちろん、凹凸を有する積層治具Ｊ上にテープＴを送り出したり、幅調整装置１１で幅を連続的に変えながらテープＴを送り出したりすることもできる。

【0118】

積層ヘッド２が１層目の積層終了位置に到達すると制御装置５による統括制御下でカッタ１５が駆動し、各テープＴが切断される。続いて、制御装置５による統括制御下で送り機構６が駆動し、積層ヘッド２が２層目の積層開始位置に移動する。そして、１層目と同様に２層目の各テープＴの積層を開始することができる。このようにして、全ての層の積層が完了するとプリプレグの積層体が製作される。尚、同一の層が複数の積層エリアに分割されている場合やテープＴの幅を不連続に変化させる場合には、同一の層の積層中において各テープＴの切断と積層の再開を行うことができる。

【0119】

湾曲したウェブとフランジを有する航空機部品のように製作対象となるＦＲＰの形状が複雑である場合には、積層治具Ｊに積層されたプリプレグの積層体にＦＲＰの形状に対応する形状を付与することが必要となる場合がある。その場合には、プリプレグの積層工程に続いて、プリプレグの積層体に形状を付与する賦形工程が実施される。

【0120】

プリプレグの積層体の賦形は、加熱装置による加熱と加圧によって行うことができる。加圧は、プレス機による賦形型の押し当てやバギングによる大気圧の負荷によって行うことができる。上述したように積層治具Ｊが賦形型を兼ねていない場合には、プリプレグの積層体が積層治具Ｊから賦形型に載せ替えられる。逆に、積層治具Ｊが賦形型を兼ねている場合には、プリプレグの積層体を載置した積層治具Ｊがバギングやプレス機等によって賦形工程を実施するためのエリアに搬送される。

【0121】

プリプレグの積層体の賦形が完了すると、成形後のＦＲＰの形状に対応する形状を有するプリフォームが製作される。また、航空機のパネルのようにＦＲＰの形状が単純であり、賦形用の形状を有する積層治具ＪにプリプレグのテープＴを積層するのみでプリフォームが製作される場合には、プリプレグの積層と賦形が同時に行われることになる。

【0122】

プリフォームが製作されると、ステップＳ１０において、プリフォームに含まれる樹脂の硬化が行われる。すなわち、積層及び賦形後におけるプリプレグのテープＴに予め含浸させておいた樹脂の硬化工程が実施される。これにより、目的とする形状を有するＦＲＰを成形することができる。

【0123】

樹脂が熱硬化性樹脂であれば樹脂の硬化工程はオーブンやオートクレーブ装置等の加熱装置を用いた樹脂の加熱となる。一方、樹脂が熱可塑性樹脂であれば樹脂の硬化工程は加熱装置で一旦樹脂を加熱して溶融させた後、空冷等で樹脂を冷却する工程となる。また、樹脂の硬化に先立って、プリフォームを他のプリフォームや中間硬化した他のＦＲＰと組合せる組立工程を実施したり、プリフォームの上にＲＴＭ法で成形するための別のドライプリフォームを載置して樹脂を注入したりしても良い。

【0124】

プリフォームに含まれる樹脂を硬化することによってＦＲＰを成形するための成形治具についても積層治具Ｊ又は賦形治具と共通にしても良いし、別に準備してプリフォームを載せ替えるようにしても良い。

【0125】

（効果）
以上の繊維積層装置１及び複合材成形方法は、複数のピッチ調整用ローラ２０でピッチが調整された複数のプリプレグのテープＴを捩って配列用ローラ２１に送り出し、配列用ローラ２１で複数のテープＴを幅方向に並べて積層できるようにしつつ、少なくとも１つのピッチ調整用ローラ２０を第１の位置調整機構２４で第１の回転軸ＡＸ１方向に移動できるようにしたものである。

【0126】

このため、繊維積層装置１及び複合材成形方法によれば、少なくとも第１の位置調整機構２４を設けたピッチ調整用ローラ２０から送り出されたプリプレグのテープＴの位置が配列用ローラ２１上においてテープＴの幅方向にずれたとしてもテープＴの位置を補正することができる。すなわち、隣接するピッチ調整用ローラ２０間における間隔の制御とは別に、ピッチ調整用ローラ２０自体の第１の回転軸ＡＸ１方向における位置の調整によってテープＴの幅方向における位置の微調整を行うことが可能となる。

【0127】

加えて、配列用ローラ２１の位置も第２の位置調整機構２５で調整できるようにすることで、全てのテープＴの位置を適切な位置に補正することが可能となる。すなわち、繊維積層装置１によるプリプレグのテープＴの積層精度を向上させることができる。その結果、複数のプリプレグのテープＴを適切な間隔で積層し、高品質なプリフォーム及びＦＲＰを製作することが可能となる。

【0128】

（他の実施形態）
以上、特定の実施形態について記載したが、記載された実施形態は一例に過ぎず、発明の範囲を限定するものではない。ここに記載された新規な方法及び装置は、様々な他の様式で具現化することができる。また、ここに記載された方法及び装置の様式において、発明の要旨から逸脱しない範囲で、種々の省略、置換及び変更を行うことができる。添付された請求の範囲及びその均等物は、発明の範囲及び要旨に包含されているものとして、そのような種々の様式及び変形例を含んでいる。

【符号の説明】

【0129】

１…繊維積層装置、２…積層ヘッド、３…ガントリ、３Ａ…支柱、４…テーブル、５…制御装置、６…送り機構、１０…ボビン、１１…幅調整装置、１２…テープ配列装置、１３…テンションローラ、１４…フィードローラ、１４Ａ…動力ローラ、１４Ｂ…サポートローラ、１４Ｃ…モータ、１４Ｄ…シリンダ機構、１５…カッタ、１５Ａ…刃、１５Ｂ…ローラ、１６…コンパクションローラ、２０…ピッチ調整用ローラ、２０Ａ…ローラ本体、２０Ｂ…ベアリング、２０Ｃ…フランジ、２０Ｄ…スペーサ、２１…配列用ローラ、２１Ａ…回転シャフト、２２、２２Ａ、２２Ｂ…支持フレーム、２３…旋回機構、２３Ａ…ピボット、２３Ｂ…金具、２４…第１の位置調整機構、２５…第２の位置調整機構、３０…従来のテープ配列装置、３１…ピッチ調整用ローラ、３２…配列用ローラ、４０…ピンボルト、４１…プッシャ、４２…ばね、５０…偏心ブッシュ、ＡＸ１…第１の回転軸、ＡＸ２…第２の回転軸、Ｊ…積層治具、Ｔ…プリプレグのテープ、θ…旋回角度。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】