JP2006029494A - ニップロール - Google Patents

Abstract

【課題】ニップロールの軸方向におけるニップ圧の差異を小さくすることができ、ニップロールの表面を研磨または再研磨するときには外形が直線的であるから精度が得やすく加工費が少なくて済むニップロールを提供する。
【解決手段】胴部の中心から端部にかけて直径が一定の金属材料でできたロール芯と、そのロール芯を被覆しヤング率が前記胴部の中心から端部にかけて漸次減少するゴム弾性材料でできた胴部表面層とを備えるようにしたニップロール。また胴部表面層の外径が胴部の中心から端部にかけて一定であるようにしたニップロール。
【選択図】 図１

Description

本発明はウェブを挟持して移送するニップロールの技術分野に属する。特に、ニップロールの軸方向におけるニップ圧の差異を小さくすることができるニップロールに関する。

用紙やプラスチックフィルム等のウェブを取扱う機械においてウェブを一対のロールで挟持して移送することが一般に行われている。具体的には、機械のインフィードユニット、アウトフィードユニット、ラミネート加工ユニット、エンボス加工ユニット、等において適用される。多くの事例において、ウェブを挟持する一対のロールの一方には表面層がゴム弾性材料のロール（ゴムロール）が使用され、他方には金属材料のロール（金属ロール）が使用される。
なお、ウェブを挟持（ニップ）する目的のこれらゴムロールと金属ロールの中で、ゴムロールのことを、ここでは、ゴムロールまたはニップロールと呼ぶ。

図４に矢印で示すように、ゴムロールの左右端部に存在する軸に作用する力がゴムロールによって金属ロールを加圧する力となる。このとき、金属ロールからの反作用の力がゴムロールの中央部に存在する胴の部分に加わる。ゴムロールの左右端に作用する力と、ゴムロールの中央部に作用する力は逆方向の力であるから、当然、ゴムロールは撓むことになる。その結果、従来の一般的なゴムロール（ニップロール）においては、その胴の周辺部においてはニップ圧が高く、中心部においてはニップ圧が低くなる。そのため、たとえば２枚以上のフィルムを貼り合せるラミネータに適用するとシワが発生したり、接着強度ムラ、フィルム肉厚ムラの原因となっていた。

このニップロールの軸方向におけるニップ圧の差異を小さくするために、以下の方法が提案されている。
（１）ニップロールの胴の中央部の外径を膨らませたクラウン形状にする方法（特許文献１）。この方法では、ゴムの摩耗に伴い性能が維持できなくなる。また外形の再研磨が必要なときには、クラウン形状を得るために加工費が大となる。
（２）ニップロール背後に撓みの少ないバックアップロールを配置する方法（特許文献２）。この方法では、バックアップロールを追加することから設備費が大となる。
（３）上記の２方法を組合わせる方法（特許文献３）。この方法では上述の両方の問題を有する。
特開平８−１１２０４号公報 特開２００３−３０５３９３号公報 特開平５−２４１４６６号公報

本発明は上記の問題を解決するために成されたものである。その目的は、ニップロールの軸方向におけるニップ圧の差異を小さくすることができ、ニップロールの表面を研磨または再研磨するときには外形が直線的であるから精度が得やすく加工費が少なくて済むニップロールを提供することにある。

本発明の請求項１に係るニップロールは、胴部の中心から端部にかけて直径が一定の金属材料でできたロール芯と、そのロール芯を被覆しヤング率が前記胴部の中心から端部にかけて漸次減少するゴム弾性材料でできた胴部表面層とを備えるようにしたものである。
また本発明の請求項２に係るニップロールは、請求項１に係るニップロールにおいて、前記胴部表面層の外径は前記胴部の中心から端部にかけて一定であるようにしたものである。

本発明の請求項１に係るニップロールによれば、ロール芯が胴部の中心から端部にかけて直径が一定の金属材料でできており、胴部表面層がそのロール芯を被覆しヤング率が胴部の中心から端部にかけて漸次減少するゴム弾性材料ででている。すなわち、胴部の中心ではゴム弾性材料のヤング率が最も大きく胴部の中心から端部にかけてゴム弾性材料のヤング率がが漸次減少する。したがって、ニップロールの軸方向におけるニップ圧の差異を小さくすることができる。
また本発明の請求項２に係るニップロールによれば、胴部表面層の外径は前記胴部の中心から端部にかけて一定であるようにしたものである。したがって、ニップロールの表面を研磨または再研磨するときには外形が直線的であるから精度が得やすく加工費が少なくて済む。

次に、本発明の実施の形態について図を参照しながら説明する。図１は本発明のニップロールの構成を断面図で示した図である。図１において、１ａ，１ｂは軸、２はロール芯、３は胴部表面層である。ニップロールは軸部と胴部とから構成され軸部は軸１ａ，１ｂ、胴部はロール芯２と胴部表面層３から成る。
軸１ａ，１ｂはニップロールを回転自在に支持するため胴部の左右端面に結合した軸である。軸１ａ，１ｂの軸受けは、通常は、アームや直線移動機構によって支持され機械のフレームに対して可動である。ニップロールに対向して設けられ、ウェブを挟持する他方のロール（図４参照）の軸受けは、通常は、フレームに対して固定されている。ニップロールをその軸１ａ，１ｂにおいて変位させニップロールと対向するロールとを接触させウェブを挟持する。そのときのニップ圧は軸１ａ，１ｂに作用する力に起因している。

ロール芯２はニップロールの芯であり鉄、アルミニウム、合金、等の金属材料でできている。ロール芯２は軸１ａ，１ｂと強固に結合している。図１において断面を示すように、ロール芯２はニップロールの胴部の中心においても端部においても直径が一定である。

胴部表面層３はロール芯２を被覆するゴム弾性材料でできている。ゴム弾性材料とはゴム状の弾性（Rubberlike Elasticity）を有する材料である。たとえば、クロロプレンゴム（ＣＲ）、シリコーンゴム（Ｓｉ）、天然ゴム（ＮＲ）、スチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）、二トリルゴム（ＮＢＲ）、エチレンプロピレンゴム（ＥＰＤＭ）、フッ素ゴム（ＦＰＭ）、ブチルゴム（ＩＩＲ）、ウレタンゴム（Ｕ）、クロロスルホン化ポリエチレン（ＣＳＭ）等の材料である。なお括弧の中はＡＳＴＭ略号である。

胴部表面層３の外径は、図１に示すように、胴部の中心においても端部においても一定である。この外径は、必ずしも一定とする必要性はない。しかし、ニップロールの表面を研磨または再研磨するときには外形が直線的であるから精度が得やすく、また加工費が少なくて済むため好適である。

胴部表面層３は、図１に示すように、ａ〜ｅの複数種類のゴム弾性材料から構成される。それらゴム弾性材料ａ〜ｅの各々はヤング率が異なっている。ゴム弾性材料ａ〜ｅの材料名、たとえば上述したクロロプレンゴム（ＣＲ）、シリコーンゴム（Ｓｉ）、等の材料名は異なっていても同一であってもよい。ゴム弾性材料ａ〜ｅの物理的な特性であるヤング率において各々は異なっている。ヤング率の大小関係は（ゴム弾性材料ａ）＜（ゴム弾性材料ｂ）＜（ゴム弾性材料ｃ）＜（ゴム弾性材料ｄ）＜（ゴム弾性材料ｅ）となっている。すなわち、胴部表面層３のヤング率は胴部の左右端部から中央部にかけて漸次増大するゴム弾性材料ででている。言い換えると、胴部表面層３のヤング率は胴部の中心部から左右端部にかけて漸次減少するゴム弾性材料ででている。

以上の構成において、次に本発明のニップロールを使用したときの動作態様について図を参照して説明する。図２は鉄ロールに本発明のニップロール（ゴムロール）を接触させて加圧した状態を断面図として示す図である。図２において図１と同一部分には同一符号を付してある。
図２においても図４におけると同様でニップロールは撓むことになる。すなわち、図２に矢印で示すように、ニップロールの左右端部に存在する軸に作用する力がニップロールによって金属ロールを加圧する力となる。このとき、金属ロールからの反作用の力がニップロールの中央部に存在する胴の部分に加わる。ニップロールの左右端に作用する力と、ニップロールの中央部に作用する力は逆方向の力であるから、当然、ニップロールは撓むことになる。

その撓みの方向としては、図２においてニップロールの軸１ａ，１ｂは鉄ロールに近付く方向に撓み、ニップロールの胴部の中央部が相対的に鉄ロールから遠退く方向に撓むことになる。ニップロールの軸１ａ，１ｂが鉄ロールに近付く方向に撓むということは、胴部の左右端部が鉄ロールに近付く方向に撓むことと同じである。したがって、ニップロールの胴部の左右端部が鉄ロールに近付く方向に撓み、中央部が相対的に鉄ロールから遠退く方向に撓むことになる。また、このときニップロール（ゴムロール）だけが撓むのではなく、鉄ロールも同様にニップロールに対して撓むことになる。その結果、ニップロールの胴部の中央においては胴部表面層３の厚さの変形量（圧縮量）が小さく、ニップロールの胴部の端部においては胴部表面層３の厚さの変形量が大きくなる。

ここで胴部表面層３の厚さをＬ、変形量をδＬ、ヤング率をＥとすると、応力（Ｆ／Ｓ）は（Ｆ／Ｓ）＝Ｅ×（δＬ／Ｌ）の関係がある。図２示すように、ニップロールの胴部の左右端部においては胴部表面層３のヤング率が小さく、胴部の中央部においては胴部表面層３のヤング率が大きい。そこで胴部表面層３の左右端部におけるヤング率を同一のＥｅ、その変形量をδＬｅとする。また、胴部表面層３の中央部におけるヤング率をＥｃとし、その変形量をδＬｃとする。

上述の撓みによってδＬｃ＜δＬｅの関係がある。また図２に示す本発明のニップロールにはＥ ｃ＞Ｅｅの関係がある。そこで、Ｅ ｃ×δＬｃ＝Ｅｅ×δＬｅの関係が成立するようにＥ ｃとＥｅとを決めれば、応力（Ｆ／Ｓ）＝Ｅｃ×（δＬｃ／Ｌ）＝Ｅｅ×（δＬｅ／Ｌ）となる。すなわち、胴部の中央部においても左右端部においても同一のニップ圧が得られることになる。
なお、図４に示した従来の一例においては、撓みによってδＬｃ＜δＬｅの関係があるのは同じであるが、図４に示すニップロール（ゴムロール）ではＥｃ＝Ｅｅ＝Ｅの関係があるため、Ｅ×（δＬｃ／Ｌ）＜Ｅ×（δＬｅ／Ｌ）となり胴部の中央部と左右端部においてニップ圧が異なる。

上述においては、説明を簡明とするため、変形が一次元変形だけであるかのように説明したが、実際のニップロールと鉄ロールは、三次元変形を行うため、撓みや応力の計算方法が極めて複雑となる。実際のその計算には有限要素法を適用してコンピュータ解析を行う必要性がある。胴部表面層３の厚さ、実使用時においてニップロールに印加する力、ニップロールの外径寸法、等が決められた後に、胴部の中心でのヤング率が最大で胴部の中心から端部にかけてヤング率が漸次減少する胴部表面層３の物理的な特性を決定する必要性がある。そのためには、有限要素法を適用してコンピュータ解析を行うことが好適である。

次に、コンピュータ解析の一例について説明する。表１は、解析条件として胴部表面層３のヤング率の一例を示す表である。その胴部表面層３を有するニップロールは図１に構成の一例を示したニップロールであり、胴部表面層３はゴム弾性材料ａ〜ｅから構成されている。
(表１)
（領域名） （ヤング率（ＭＰａ））（左右端部からの位置（ｍｍ））
ゴム弾性材料ａ ６．０ ０〜５０
ゴム弾性材料ｂ ６．２５ ５０〜００
ゴム弾性材料ｃ ６．５ １００〜２８５
ゴム弾性材料ｄ ７．０ ２８５〜４７０
ゴム弾性材料ｅ ７．５ ４７０〜中央

胴部表面層３のヤング率以外の条件は次のとおりである。
胴部表面層３の厚さ ： １５ｍｍ
ロール面長 ： １６８０ｍｍ
ゴムロール径 ： ２４０ｍｍφ
鉄ロール径 ： ２４０ｍｍφ
負荷 ： １トン／全幅

計算結果は、下記の表２のとおりとなる。表１において上から１番目の行はゴムロールの中心軸と鉄ロールの中心軸を含む面とゴムロールの周面とが交差する位置を原点（０ｍｍ）としたときのゴムロールの胴部表面層３における接線方向の座標（ｍｍ）である。また表２において２番目の行はその位置に付した番号である。また表２において左から１番目の列はゴムロールの胴部表面層３における軸方向の位置に付した番号である。また表２において左から２番目の列はその軸方向の位置の座標（ｍｍ）である。また表２において左から８番目の列はその軸方向の位置のヤング率である。

図３は、表２を図として示したものであって、データは同一であり。表２、図３に示すように、接触圧力の最大値（中央部）は６７３ｋＰａであり、最小値（左右端部）は６２９Ｐａであり、その比率（最小値／最大値）が９３．５％である。
同様の条件で胴部表面層３のヤング率を均一としたときには、接触圧力の最大値（左右端部）は６０９ｋＰａであり、最小値（中央部）は５２３Ｐａであり、その比率（最小値／最大値）が８５．９％である。
このように本発明のニップロールにおいては、ニップロールの軸方向におけるニップ圧の差異を小さくすることができる。

上述の実施の形態においては、表１に示す一例のとおりの胴部表面層３の分割数（相違するゴム弾性材料の数）、分割する位置とした。しかし、本発明のニップロールはこの一例に限定されるものではなく、胴部表面層３の分割数や分割する位置は任意である。
また、図１においては複数あるゴム弾性材料の各々の境界は胴部の表面に対して直角方向の境界となっている。しかし、本発明のニップロールはこの一例に限定されるものではなく、境界を斜め方向の任意の角度とすることができる。それにより、境界においてヤング率が急変することによる悪影響を排除することができる。

本発明のニップロールの構成の一例を断面図で示した図である。 鉄ロールに本発明のニップロール（ゴムロール）を接触させて加圧した状態を断面図として示す図である。 胴部表面層３の接触圧力の一例を位置ごとに示す図である。 ゴムロールの左右端部に存在する軸に作用する力がゴムロールによって金属ロールを加圧する力となることを示す図である。

符号の説明

１ａ，１ｂ 軸
２ ロール芯
３ 胴部表面層

Claims (2)

1. 胴部の中心から端部にかけて直径が一定の金属材料でできたロール芯と、そのロール芯を被覆しヤング率が前記胴部の中心から端部にかけて漸次減少するゴム弾性材料でできた胴部表面層とを備えることを特徴とするニップロール。
2. 請求項１記載のニップロールにおいて、前記胴部表面層の外径は前記胴部の中心から端部にかけて一定であることを特徴とするニップロール。
   
   

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