JP2007009357A - 糸状部材の供給装置及び開繊装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 繊維束を含む糸状部材を電気的センサーを用いることなく一定の張力を与えて送り出す糸状部材の供給装置を提供することにある。
【解決手段】 繊維束２の走行方向に揺動自在に軸支されたアーム９を設け、このアーム９の揺動で、繊維束２を挟持する一対の回転ローラ７とベルト１８（摩擦駆動面）の圧接力を変化させて、繊維束２の撓みが小さいときは圧接力を強くし、この反対に撓みが大きいときは圧接力を小さくして、繊維束を一定の張力で走行させる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、巻体から引出した糸状部材を一定の張力で送り出す糸状部材の供給装置及び開繊装置に関する。

炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維などの強化繊維と、エポキシ樹脂等のマトリックス樹脂とからなる複合材料は、軽量、かつ機械的特性・耐食性などに優れているため、釣り竿、ゴルフシャフトなどの汎用的な用途から工作機械部品などの産業用途、更には航空機などの用途といった幅広い分野にわたって用いられている。

この繊維強化複合材の成形体を形成する方法として、強化繊維を長繊維として使用する場合には、プリプレグシートと呼ばれる、強化繊維束の短繊維間にマトリクス樹脂を含浸させてなる中間材料を用いる方法が採用されている。

均一で薄いプリプレグシートは、薄肉成形体を得るためだけでなく、一方向引揃え繊維強化材料の異方性の特徴を生かした多彩な設計を可能とし、また、プリプレグシート積層成形体の初期破損強度を向上させることが期待され、複合材料の使用用途をさらに拡大するものと考えられている。そして、このような均一で薄いプリプレグシートの要求を満たすために、強化繊維束を開繊する技術が必要となってきている。

均一で薄いプリプレグシートを作るには、通常、フィラメント数の少ない強化繊維束を一方向に引き揃えて作るのが一般的である。しかし、フィラメント数の少ない強化繊維束は高価であるため、できる限り安価でフィラメント数の多い強化繊維束を使用したいという要求がある。

すなわち、フィラメント数の多い強化繊維束を開繊して薄い強化開繊束シートを作り、これを使用して均一で薄いプリプレグシートとする方が、材料コストの低減上有利なのである。

従来、開繊装置として、繊維束を撓ませた状態にして繊維束の走行方向と直交方向に空気流を作用させて、繊維束を幅広く、かつ繊維分布が良好な開繊繊維シートを得るために、繊維束を一定の張力で移動させる一方向供給装置と、繊維束にその走行方向と直角方向の振動（横振動）を与えて繊維束に緊張と弛緩を交互連続的に生ぜしめる張力変動発生機構と、張力が緊張から弛緩へ移行するときに繊維束に空気を当てて開繊する流体通流開繊機構とを備えた繊維束の開繊装置が提案されている（例えば特許文献１）。
国際公開番号 ＷＯ２００５／００２８１９号公報の図１，図４

しかし、特許文献１の繊維束の開繊装置は、流体通流開繊機構で均一な開繊を行なうために、繊維束が巻かれた巻体から、繊維束を一方向へ走行させる際に、一方向供給装置で繊維束に張力を与えながら回転ローラの回転速度を変えて、繊維束に一定の初期張力を与えて送り出す必要がある。このため、一方向供給装置で繊維束に張力を与えるのに、垂直方向に上下動する錘式のローラ駆動手段を用いていた。

錘式のローラ駆動手段は、上下位置をリミットセンサーでそれぞれ検出して、ローラ駆動手段が上方にあることをリミットセンサーで検出したときはモータの回転速度を速くして繊維束の送り量を多くし、ローラ駆動手段が下方にあることをリミットセンサーで検出したときはモータの回転速度を遅くして繊維束の送り量を少なくするように、モータの回転数の制御をしなければならず、センサーや回転数制御装置が必要であった。モータとしても、回転数が自由に変更できるように高価なサーボモータを使用しなければならなかった。

繊維束を高速で走行させた場合、ローラ駆動手段の上下移動に対して、リミットセンサーの反応が遅いとローラ駆動手段の移動に対してセンサーが追従できず、繊維束に一定の張力を与えて送り出すことができないことがあり、リミットセンサーの追従性を上げるために高価な部品並びに精度のある設定をしなければならなかった。

開繊装置は、実際は、一本の繊維束を開繊するだけでなく、複数の繊維束を並列にして各々に一方向供給装置を設けて同時に複数本の繊維束を開繊して一つの開繊束シートを製作する。一本の繊維束に対する一方向供給装置でも、ローラ駆動手段にモータやセンサー、モータの回転数制御が必要で、組み立て時の調整やコストがかかるといった問題があるのに、複数の繊維束を同時に開繊して一定の幅の開繊束シートを得るためには、これに加えて、各々の繊維束を同一の回転速度で走行させないと均一な幅と厚みの開繊束シートが得られない。このため、繊維束毎に回転速度の調節をしなければならず、各ローラ駆動手段の位置情報で回転スピードを変更するために各々に専用のモータが必要となる。さらに、モータ並びにリミットセンサーや回転数制御装置が各繊維束毎に必要となり、組付け作業に時間がかかり、低コスト化を図れなかった。

本発明は、簡素化された構造で、繊維束を含む糸状部材に一定の張力を与えて送り出す糸状部材の供給装置を提供することを目的とする。

糸状部材の供給装置に係る請求項１の発明は、糸状部材を巻装した巻体と、前記巻体から引出される糸状部材の引出し方向に前後に離間して配設され、前記糸状部材を上下で挟み込む２組の回転ローラと、前記２組の回転ローラ間の糸状部材に一端が支持された揺動自在なアームであって、前記糸状部材の張力に応じた揺動角を取るアームと、前記アームに連結されるとともに前記２組の回転ローラのうち前段側の回転ローラの外周面に圧接しモータにより回転する摩擦駆動面を有し、前記アームの揺動と連動して前記回転ローラに対する前記摩擦駆動面の圧接力を増減させ前記糸状部材の張力を一定にするローラ駆動手段とを具備する。

糸状部材の張力が増大してその撓みが少なくなると、ローラ駆動手段の摩擦駆動面をして回転ローラとの圧接を強める方向にアームが揺動して回転ローラをより速く回転させる。糸状部材の張力が減少してその撓みが大きくなると、摩擦駆動面をして回転ローラとの圧接を弱める方向にアームが揺動して回転ローラをより遅く回転させる。回転ローラは摩擦駆動面との摩擦抵抗により回転させられるので、圧接状態が強い場合は滑りがないので摩擦駆動面の回転スピードがそのまま伝達されて回転するが、圧接状態が弱い場合は滑りが起って回転ローラの回転が遅くなる。後段側の回転ローラから送り出される糸状部材は、さらに後段側の引っ張り用駆動ローラで引っ張られているが、前段の回転ローラの回転が糸状部材の張力増大で速くなると、その分だけ糸状部材の送り量が増大して当該張力増大を相殺する。この反対に、前段の回転ローラの回転が糸状部材の張力減少で遅くなると、その分だけ糸状部材の送り量が減少して当該張力減少を相殺する。このため、後段側の回転ローラから送り出される糸状部材は常に一定の張力を与えられて走行することになる。

巻体から糸状部材を引出して供給する際、巻体には糸状部材が層状に巻装されているので、巻体の１回転で引出される糸状部材の長さは、巻き始めと巻き終わりで大きく異なる。巻体の１回転で引出される長さの違いは、結局、２組の回転ローラ間の糸状部材の撓みとして現れるので、上述と同様アームが糸状部材の撓みに追従して揺動し、ローラ駆動手段が動作するので、後段の回転ローラからは一定の張力と送り出し量で糸状部材を供給することができる。

また、複数の巻体から糸状部材を並列的に同時供給する場合には、糸状部材毎に２組の回転ローラ、アーム、ローラ駆動手段を備えることで、ローラ駆動手段の複数の摩擦駆動面を一つのグループとして、グループ毎に摩擦駆動面を回転させるモータを連結部材で連結することができる。

複数の糸状部材を供給する場合には、糸状部材毎の撓み状態をそれぞれのアームで検出して、それぞれの糸状部材の撓み状態にあわせてローラ駆動手段の摩擦駆動面と回転ローラの圧接により、回転ローラの回転速度の調節が行えるので、後段の回転ローラから送り出される糸状部材を一定の張力で送り出すことができる。また、摩擦駆動面と回転ローラとの圧接力の大小により糸状部材の送り出し量を制御するので、摩擦駆動面の回転は一定速でよく、複数の摩擦駆動面を一つのグループとして定速の共通モータを用いることができるので、モータの数を糸状部材毎に設ける必要がなく、駆動モータの回転数の制御も不要となる。グループとは糸状部材全てを1つのグループとすることも含まれる。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記アームの一部に、前記摩擦駆動面の圧接力を調節するバランスウェートを取付けたことを特徴とする。これにより、後段の回転ローラから送り出される糸状部材の張力を簡単かつ正確に増減調節することができる。

請求項３の発明は、請求項１の発明において、前記ローラ駆動手段が、モータにより回転する駆動プーリ、従動プーリ、及び、駆動プーリと従動プーリとの間に掛け渡されたベルトで構成され、前記ベルトが前段側の回転ローラの外周面に圧接する摩擦駆動面を構成することを特徴とする。

糸状部材の微小な張力変動があるとアームが振動して摩擦駆動面と回転ローラとの圧接力が不安定になるおそれがあるが、摩擦駆動面にベルトを使用することによりアームの振動を吸収して前記圧接力を安定にする作用がある。

請求項４の発明は、請求項１の発明において、前記糸状部材を挟む上下の回転ローラのうち、前記ローラ駆動手段の摩擦駆動面が圧接する側の回転ローラを他方の回転ローラよりも大径にして前記回転ローラの駆動力を増大させたことを特徴とする。これにより、ローラ駆動手段に使用するモータの定格の選択範囲を広げることができる。

開繊装置に係る請求項５の発明は、請求項１から４のいずれかの糸状部材の供給装置と、糸状部材を幅広く薄い状態に開繊する開繊機構を順番に配設したことを特徴とする。

糸状部材の供給装置から送り出される糸状部材の撓みが少ないと（張力大）、ローラ駆動手段の摩擦駆動面をして回転ローラとの圧接を強める方向にアームが揺動して回転ローラをより速く回転させる。糸状部材の撓みが大きいと（張力小）、摩擦駆動面をして回転ローラとの圧接を弱める方向にアームが揺動して回転ローラをより遅く回転させる。回転ローラは摩擦駆動面との摩擦抵抗により回転させられるので、圧接状態が強い場合は滑りがないので摩擦駆動面の回転スピードがそのまま伝達されて回転するが、圧接状態が弱い場合は滑りが起って回転ローラの回転が遅くなる。その結果、後段側の回転ローラから送り出される糸状部材は一定の張力を与えられて走行することになる。よって、安定した開繊が実施でき、繊維束の開繊幅や厚みを均一にできる。

請求項６の発明は、請求項５の発明において、開繊機構として、糸状部材に対して直角方向の振動を与えることにより張力の繰り返し変動を発生させる張力変動発生機構と、糸状部材に流体を当てて開繊する流体通流開繊機構を順番に配設したものである。一定の張力で供給される糸状部材に張力変動発生機構で張力の変動を付与するので、後段の流体通流開繊機構における糸状部材の撓曲を一定にできる。

請求項７の発明は、請求項６の発明において、前記糸状部材の供給装置と張力変動発生機構との間に、弾性部材を介して糸状部材に当接して糸状部材の張力の繰返し変動を緩和する縦振動緩和機構を設けたことを特徴とする。後段の張力変動発生機構で与える糸状部材の張力変動は２組の回転ローラ間に遡ろうとするが、縦振動緩和機構により張力変動が緩和されるため、アームが糸状部材の上で踊って摩擦駆動面と回転ローラとの圧接力を不安定にするのを防止する。

請求項８の発明は、請求項６の発明において、流体通流開繊機構として、流送される糸状部材幅方向に流体通流を形成するために設置される両壁を流送される糸状部材幅方向に自在にスライドする機構を設けたものである。このことにより、開繊幅が自由に設定でき、１本から複数本の開繊に対応できる。

本発明の糸状部材には、繊維束の他、布、シート、リボン等が含まれる。糸状部材は、ボビン、チーズ、コーンなどの巻体に層状に巻き付け、巻体から引張って連続的に引出されるものであればよい。なお、この発明では糸状部材としての繊維束が開繊の対象となる。

繊維束としては、炭素繊維束、ガラス繊維束、アラミド繊維束、セラミックス繊維束などの強化繊維束や、ポリエチレン、ポリプロピレン、ナイロン６、ナイロン６６、ナイロン１２、ポリエチレンテレフタレート、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテルエーテルケトンなどの熱可塑性樹脂からなる繊維を引き揃えた集束物、つまり熱可塑性樹脂繊維束などである。そして、加撚された繊維束は連続した開繊が実施できないため、無撚もしくは撚りを戻した解撚の繊維束を用いることが連続した開繊に望ましい。

本発明の糸状部材の供給装置は、２組の回転ローラ間の糸状部材の撓みに追従してアームが揺動し、このアームの揺動角に応じて回転ローラと摩擦駆動面との圧接力を調整して糸状部材の張力を一定にすることができる。したがって、従来のダンサーローラによる張力一定化装置のようなローラの上下位置を検出するセンサーが不要となり、配線やセンサー位置の調節といった組立て工数の削減とコストダウンが図れる。さらに、糸状部材を回転ローラと摩擦駆動面との摩擦力で送り出せるので、摩擦駆動面の回転は一定速でよいので、従来のような高価なサーボモータを用いる必要が無くなり、その結果、サーボモータの回転数を変更する回転数制御装置も不要となる。

また、本発明の開繊装置は、上述の糸状部材供給装置を採用することにより、糸状部材の開繊幅や厚みを均一に安定させた高品位の開繊シートを得ることができる。

以下、糸状部材の供給装置及び開繊装置の実施の形態１を、図１〜図１０を参照して説明する。この実施の形態１は、糸状部材としての炭素繊維束を開繊して、開繊束シートを製作するものである。

図１及び図２に示す開繊装置１において、図中左側から右側へ繊維束ないし糸状部材２が走行するので、左側を前段側、右側を後段側として説明する。繊維束２を巻装した巻体３を最前段として、糸状部材の供給装置４、張力変動発生機構５、流体通流開繊機構６が順次後段側に向かって配置されている。

巻体３は、ボビン、チーズ、コーン等の巻体に繊維束２を巻装したもので、巻体３が一方向へ回転することにより繊維束２が引出されるように設置されている。

糸状部材の供給装置４は、２組の回転ローラ７，８と、アーム９と、ローラ駆動手段１０とから構成されている。

２組の回転ローラ７，８はそれぞれ上下一対の回転ローラ７ａ，７ｂ、８ａ，８ｂからなり、糸状部材の引出し方向に前後に離間して配置され、上下の回転ローラ７ａ，７ｂ、８ａ，８ｂ間に繊維束２を挟んでいる。前段の回転ローラ７は、図１に矢印で示すように、下側の回転ローラ７ｂが時計方向に回転し、上側の回転ローラ７ａが反時計方向へ回転する。また、後段側の回転ローラ８は、図１に示すように、下側の回転ローラ８ｂが時計方向に回転し、上側の回転ローラ８ａが一方向回転クラッチ８ｃ（図２参照）により反時計方向へのみ回転する。回転ローラ７，８の回転軸７ｃ，７ｄ、８ｄ，８ｅは、図１に示すように、後段の回転ローラ８の軸８ｄ，８ｅが前段の回転ローラ７の軸７ｃ，７ｄよりも上下方向で下方に配置されている。

前記巻体３と前段の回転ローラ７との間には、引出された繊維束２を幅方向で所定位置に支持する回転可能な幅方向位置決めローラ１１が設けられている。幅方向位置決めローラ１１の高さは、前段の回転ローラ７ａ，７ｂが繊維束２を挟持する高さと一致させている。

前後の回転ローラ７，８の間には繊維束２の下面と当接して回転する支持ローラ１２が回転自在に軸支されている。支持ローラ１２の軸１２ａは、前段の回転ローラ７ａの軸７ｃよりも上方に位置させて、アーム９が当接して揺動しやすくしている。

アーム９は、前段の回転ローラ７と支持ローラ１２との間で、揺動自在に軸９ａで支持されている。アーム９は軸９ａの後段側において繊維束２と当接するようになっており、繊維束２の上面と当接する受圧回転ローラ１３がアーム９に軸１３ａで回転自在に取付けられている。

受圧回転ローラ１３とは反対側、すなわちアーム９の前段側端部には、バランスウェート１４がアーム９の長手方向の位置をねじにより調節可能に取付けられている。このバランスウェート１４は、受圧回転ローラ１３が繊維束２へ押しつけられる当接力（又はベルト１８と回転ローラ７ａとの圧接力）を調節するもので、バランスウェート１４を軸９ａに接近させたり遠ざけたりして、テコの原理を用いて当接力を調節する。受圧回転ローラ１３は、繊維束２に傷を付けないように回転自在にしている。

ローラ駆動手段１０は、図１〜図５に示すように、駆動モータ１５により回転させられる駆動プーリ１６と、従動プーリ１７と、両プーリ１６，１７間に掛け渡されたベルト１８とから構成されている。ベルト１８が前段の上側の回転ローラ７ａと圧接することにより、摩擦力で回転ローラ７ａを反時計方向に回転させて、巻体３より繊維束２を引出すようにしている。このベルト１８が回転ローラ７ａとの圧接による摩擦駆動面となる。摩擦駆動面はベルト１８に限らず、回転ローラ７ａに弾性的と圧接できる回転体（ローラなど）であってもよい。前記バランスウェート１４によりベルト１８と回転ローラ７ａとの圧接力も調節される。

駆動プーリ１６と、従動プーリ１７は、アーム９に取付けられている。駆動プーリ１６はアーム９の軸９ａと同軸に取付けられており、アーム９が駆動モータ１５の回転軸の回りに揺動するように軸支されている。アーム９を軸支する軸９ａは、駆動モータ１５の回転軸で共用することができる。従動プーリ１７は、アーム９のバランスウェート１４側に軸１７ａで回転自在に取付けられている。糸状部材の供給装置４により与えられる初期張力は、炭素繊維束１２Ｋの場合は４０〜４００ｇ、炭素繊維束６Ｋの場合は２０〜２００ｇ程度でよい。

支持ローラ１２と後段の回転ローラ８の間には、図１に示すように縦振動緩和機構１９が設けられている。縦振動緩和機構１９は、上下方向かつ凸面を前段側に向けて弧状に延びた板ばね２０の下端側に、繊維束２の上面と当接する振動緩和用回転ローラ２１を回転自在に軸支したものである。板ばね２０の固定端２０ａ（振動緩和用回転ローラ２１と反対側）は、振動緩和用回転ローラ２１よりもやや後段側に位置しており、ばね力で振動緩和用回転ローラ２１を繊維束２の上面に押しつけている。

糸状部材の供給装置４の後段側に設けられた張力変動発生機構５は、図１，図２に示すように、クランクモータ２２の回転をクランク２３で上下運動に変換してロッド２４を上下動させ、これにより繊維束２に上下方向の振動（「横振動」という。以下同じ。）を与え、ひいては繊維束２に長手方向の振動（「縦振動」という。以下同じ。）を発生させるものである。張力変動発生機構５が繊維束２を上下に振動させる際、糸状部材の供給装置４からは一定張力の繊維束２が供給されるので、繊維束２の縦振動における緊張時と弛緩時の張力を一定にすることができる。クランクモータ２２は、具体的には、３５０ｒｐｍで押下ストロークを１０ｍｍに設定している。この押下ストロークは１０ｍｍにこだわるものではなく、繊維束２の種類によって調整すればよい。出願人の実験では、炭素繊維束の場合、クランクモータ２２が２００〜４００ｒｐｍで、押下ストロークが２〜１０ｍｍで最適な開繊束シートを得ることができた。

張力変動発生機構５の後段側に設けられた流体通流開繊機構６は、図１，図２，図６で示すように、上面に空気吸引用の開口２５を有し流体通流部として機能する箱状の吸引型風洞２６を有している。開口２５は例えば幅方向寸法を４０ｍｍ、走行方向寸法を３０ｍｍの大きさで形成する。開口２５内には、繊維束２を一定レベルで支持できるように、表面がなし地仕上げされたガイドローラ２７が前後方向に多数設けられている。繊維束２はガイドローラ２７の上面側と下面側を交互に潜って千鳥走行する。風洞２６の下方には流体吸入ポンプ２８が接続されており、適宜に流量調節バルブ２９を調整して当該流体吸入ポンプ２８を作動させれば開口２５に必要な流速の吸引気流が発生する。

吸引気流は、繊維束２がない状態で例えば２０ｍ／ｓｅｃの気流になるように設定する。また、吸引気流を、繊維束２のサイジング剤を帯熱柔軟化させるために１２０〜２００℃の温風とすることもできる。この吸引気流の速さも繊維束２の種類により変わり、この２０ｍ／ｓｅｃにこだわるものではない。出願人の実験によれば６〜３０ｍ／ｓｅｃ範囲内であれば大きな問題がなかった。また、開口２５には風洞２６の空気吸引開口の大きさ（横幅）を調整する一対の規制部材３０が幅方向に摺動自在にねじ３１で取付けられている。規制部材３０は、図６のように、繊維束２の開繊されたシートの側面端部が当接するように前後方向へ延びた面３０ａと、気流が流れる下方向へ延びた面３０ｂとを有している。前後方向へ延びた面３０ａは、製作する開繊束シートの厚みよりも若干厚みを有している。図示例では流体通流開繊機構６の前段側に張力変動発生機構５を配置しているが、張力変動発生機構５を流体通流開繊機構６の後段側に配置しても、糸状部材の縦振動は遡上伝播するため、前段側の流体通流開繊機構６内の繊維束２にも緊張と弛緩を交互連続的に発生させることができる。

流体通流開繊機構６の後段側には、図１，図２に示すように、開繊されたシートを挟持して引っ張り出せるように、モータ３２で回転させられる一対の駆動ローラ３３が設けられている。駆動ローラ３３の後工程としては、繊維シートをボビンやリールに巻き取る工程や、繊維シートに樹脂などのマトリクスを含浸させるプリプレグ加工工程を設置することができる。この駆動ローラ３３で開繊束シートは１０ｍ／ｍｉｎの速さで引っ張り出されていく。

糸状部材ないし繊維束２の供給装置４及び開繊装置１は前述の如く構成され、繊維束２は供給装置４と駆動ローラ３３とによって前段側から後段側へと走行させられる。

糸状部材の供給装置４により巻体３から繊維束２が引出されて後段側へ走行するとき、回転ローラ７、８間での糸状部材２の張力変動がローラ駆動手段１０によって均一化される。すなわち、回転ローラ７と支持ローラ１２との間の繊維束２の張力は、巻体３の巻装径の減少変化や繊維束２自体の性状によって影響をうけるが、張力が増大して撓みが少なくなろうとすると、この撓みの減少に対応して直ちにアーム９が図１中反時計方向へ揺動してベルト１８と回転ローラ７ａとの圧接力が強くなる。これにより、ベルト１８と回転ローラ７ａ間に滑りが無くなり、回転ローラ７ａにベルト１８の回転速度ないし周回速度が直接的に伝達され、回転ローラ７から繊維束２を送り出すスピードが早くなる。

この反対に、回転ローラ７と支持ローラ１２との間で繊維束２の張力が低下して撓みが多くなろうとすると、この撓みの増大に対応して直ちにアーム９が図１中時計方向へ揺動してベルト１８と回転ローラ７ａとの圧接力が弱くなり、ベルト１８と回転ローラ７ａ間に滑りが生じる。これにより、回転ローラ７ａの回転数が低下し、繊維束２を送り出すスピードが遅くなる。このようにして、回転ローラ７、８間での糸状部材２の張力変動がローラ駆動手段１０によって均一化され、繊維束２に一定の張力が付与される。

張力変動発生機構５のロッド２４が繊維束２を押し下げると、回転ローラ８から繊維束２を引出そうとする力が強く働く。この動作に伴って、回転ローラ７と支持ローラ１２の間で繊維束２の撓みが少ない状態になるが、この撓みの減少に対応してアーム９が図１中反時計方向へ揺動してベルト１８と回転ローラ７ａとの圧接力が強くなる。これにより、ベルト１８と回転ローラ７ａ間に滑りが無くなり、回転ローラ７ａにベルト１８の回転速度ないし周回速度が直接的に伝達され、回転ローラ７から繊維束２を送り出すスピードが早くなる。また、張力変動発生機構５のロッド２４が上昇すると、回転ローラ８から引出そうとする力が弱くなる。この動作に伴って、繊維束２が回転ローラ７で早く送り出されていたので、回転ローラ７と支持ローラ１２の間では撓みが多くなり、アーム９が図１中時計方向へ揺動して、ベルト１８と回転ローラ７ａとの圧接力が弱くなり、ベルト１８と回転ローラ７ａに滑りが生じて、回転ローラ７ａの回転が少なくなり、繊維束２を送り出すスピードが遅くなって、繊維束２に初期張力を与える。

張力を一定にされて支持ローラ１２を通過した繊維束２は、その後、振動緩和用ローラ２１と後段側回転ローラ８とを経由して、張力変動発生機構５に至る。この張力変動発生機構５で繊維束２に上下方向の振動（横振動）が付与される。張力変動発生機構５の繊維束２は、前段側を回転ローラ８で挟まれ、後段側をガイドローラ２７で挟まれている。このため、繊維束２にはその横振動によって縦振動も発生し、この縦振動による張力変動たる緊張と弛緩が交互連続的に繰り返されることにより、後段側の流体通流開繊機構６内の繊維束２にその緊張と弛緩を伝播する。

この際、繊維束２の縦振動は回転ローラ８を越えてその前段側にも遡上伝搬するが、回転ローラ８の前段側には、縦振動緩和機構１９の板ばね２０と振動緩和用ローラ２１が配置されているので、支持ローラ１２と回転ローラ８との間で板ばね２０のばね力により繊維束２の緊張と弛緩による張力変動ないし縦振動を吸収する。

特に、振動緩和用回転ローラ２１は繊維束２の縦振動に伴い板ばね２０の屈伸に伴う上下移動をするだけでなく、板ばね２０のしなりにより前段側と後段側との間を往復スイング移動する。このような振動緩和用回転ローラ２１の二次元的移動により、回転ローラ８を越えて前段側に遡上伝搬しようとする繊維束２の縦振動が効率的に緩和される。

次に、流体通流開繊機構６による開繊作用を説明する。この流体通流開繊機構６内では、繊維束２がガイドローラ２７を千鳥状ないし蛇行状に通過するが、繊維束２が張力変動発生機構５の作用で緊張から弛緩へと移行する時に、ガイドローラ２７の下側に位置する繊維束２が下方へ撓曲し、この撓曲箇所に図１中上方から下方へ垂直に吸引気流が作用する。このように弛緩状態に移行する繊維束２に空気が直角に流通することにより、繊維束２が流体の通過方向へ引かれるようにして撓曲し、幅方向に開繊し易い状態になるとともに、繊維束２中へ気流が通過することによって開繊が行なわれる。

この反対に、繊維束２が弛緩から緊張へと移行するとき、繊維束２はその開繊幅をほぼ維持した状態で、かつ、繊維束２をより真直な状態に引き揃えながら、流体通流部における繊維束の撓み量を小さくさせる。開繊された繊維束２は開繊シートの幅が規制部材３０の面３０ａによって制限されるので、開繊シート全体が同じ幅で同じ厚みになるように開繊することができる。繊維束２が高張力タイプである場合、繊維シートの両側部を規制部材３０の面３０ａに沿わせて移動させるので毛羽が発生しにくい。規制部材３０は、開口２５の前後方向一杯の長さがある方が毛羽の発生が少なくてすむ。また、規制部材３０の面３０ｂによって開繊に必要な空気吸引量を必要最小限にすることができるので、吸引気流を有効に活用できる。

本発明の開繊装置１を使用することにより、例えば、弾性率２３０Ｇｐａの炭素繊維束１２Ｋ（単糸直径７μｍ、１２０００本）を原糸状態５ｍｍから、幅２０ｍｍや幅２５ｍｍに開繊することができた。弾性率２９４Ｇｐａの炭素繊維束２４Ｋ（単糸直径５μｍ、２４０００本）を原糸状態７ｍｍから、幅２５ｍｍに開繊することができた。ガラス繊維束（単糸直径１４μｍ、４０００本）を原糸状態５ｍｍから、幅２０ｍｍに開繊することができた。アラミド繊維束（単糸直径１２μｍ、１０００本）を原糸状態１ｍｍから、幅５ｍｍに開繊することができた。アラミド繊維束（単糸直径１２μｍ、２０００本）を原糸状態２ｍｍから、幅１０ｍｍに開繊することができた。

次に、繊維束の供給装置４の変形例として、ベルトと回転ローラとの回転伝達性能を改善した例を図７〜図９を参照して説明すると、この変形例は、回転ローラ７ａを、大径で幅広の第一回転ローラ７ａａと、小径の第二回転ローラ７ａｂとで構成し、これらを同軸上で回転するように一体もしくは別体で形成したものである。大径の第一回転ローラ７ａａとベルト１８が圧接し、小径の第二回転ローラ７ａｂと回転ローラ７ｂとの間に繊維束２を挟持する。

ベルト１８と接触する第一回転ローラ７ａａの外径が大きくかつ幅広であれば、繊維束２を送り出す回転ローラ７ａｂを回転させやすくなる。第一回転ローラ７ａａを特に幅広とせずに大径にしただけでも、回転モーメントの増大により、回転ローラ７ａｂを回転させやすくなる。なお、ベルト１８の張り方によっても伝達力が変わるが、必要に応じで張り方を決定すればよい。

前述の実施の形態１では、アーム９にローラ駆動手段１０の駆動プーリ１６と従動プーリ１７を設けたが、要はベルト１８が揺動することにより回転ローラ７ａへの圧接力が変化すればよいので、その変形例を図１０を参照して説明する。

図１０は、駆動プーリ１６をアーム９とは別体に取付けた場合である。すなわち、駆動プーリ１６を取付ける駆動モータ１５を、アーム９の軸９ａよりも繊維束２に近い固定側に固定的に配置する。駆動モータ１５の回転軸１５ａに駆動プーリ１６を取付けるとともに、駆動モータ１５の回転軸１５ａに、ベルト１８と重なるように延在した小アーム（図示省略）を回転自在に軸支する。この小アームに、従動プーリ１７の軸１７ａを支持するとともに、軸１７ａをアーム１５の長手方向に形成した長孔１５ｂに挿入する。この構成では、駆動プーリ１６が固定側で支持されているので、アーム９の小さな揺動力でベルト１８を回転ローラ７ａの外周面に圧着させることができる。

また、縦振動緩和機構１９の変形例として、図１１に示すように、圧縮ばね１２０の上端側を固定側に固定し、下端側に繊維束２の上面と当接するローラ１２１を上下動可能に設ける構成や、この圧縮ばね１２０に代えて、ローラ１２１を引張ばねで下方に附勢する構成も可能である。

次に、実施の形態２を図１２，図１３を参照して説明する。この実施の形態２は、実施の形態１に比べて、巻体３を６個使用し、６本の繊維束２をそれぞれ開繊して一つの繊維シートを製作するものである。実施の形態１と同一構成のものは同一符号を付けて重複説明を省略する。

開繊装置５１は、繊維束２が巻装された巻体３を多数設けた巻体群５２を最前段として、糸状部材の供給装置群５３と、張力変動発生機構５と、流体通流開繊機構６が順次後段側に向かって配置されている。

巻体群５２は、６個の巻体３，３，３・・・を前後３段で上下２列に並べ、左右の繊維束２が交差しないように配置している。各繊維束２，２，２・・・を、前段側から後段側に配置した上下一対の案内ローラ５４，５５，５６の各間に順次挟持し、後段側の案内ローラ５６で、図１３のように平面視並列に等間隔に配置している。繊維束２として炭素繊維束１２Ｋを用いた場合は、例えば２０ｍｍ間隔になるように案内ローラ５６で調節する。炭素繊維束のフィラメント数が少ない場合は、開繊幅が短くなるので、例えば６Ｋであれば１０ｍｍ程度がよい。巻体３の数や繊維束２の間隔は、使用する繊維束２の種類や、製作したい繊維シートの幅、厚みによって決定されるもので、６個の巻体３や１０ｍｍ，２０ｍｍの間隔に限定されるものでない。

糸状部材の供給装置群５３は、繊維束２毎に、実施の形態１と同様に前段側から後段側に順次位置決めローラ１１、前段側の回転ローラ７（７ａ，７ｂ）、回転軸７ｃ，７ｄ、アーム９、バランスウェート１４、ローラ駆動手段１０の駆動プーリ１６、従動プーリ１７、ベルト１８、支持ローラ１２、回転ローラ８（８ａ，８ｂ）、回転軸８ｄ，８ｅ、一方向回転クラッチ８ｃが設けられている。そして、支持ローラ１２と回転ローラ８の間の繊維束２に当接するように縦振動緩和機構１９の板ばね２０、振動緩和用回転ローラ２１、板ばねの固定端２０ａが設けられている。

アーム９が上下３列で左右２行になるように各々配置されている。左右のアーム９，９は同一の軸９ａで回動自在に軸支されている。ローラ駆動手段１０は、図１２、図１３に示すように、定速駆動の駆動モータ１８を有し、駆動モータ１８と上下３本の軸９ａとをベルト５７，５８で連結している。この構成によれば、単一の定速駆動モータ１８により６本の糸状部材２を一定張力で供給することができる。糸状部材２の本数は、６本以上でも可能であることは勿論である。

一定の張力が与えられて後段の回転ローラ８から送り出された繊維束２は、繊維束２の走行方向を横切る案内ローラ５９により並列で等間隔に揃え直された後に、張力変動発生機構５のロッド２４の先端に設けられた水平ロッド２４ａで、６本の繊維束２に同時に上下の振動が与えられる。これにより、同じ大きさの横振動とそれに伴う縦振動を全ての繊維束２に付与することができる。繊維束２の縦振動は、後段の流体通流開繊機構６で風洞２６の開口２５内に並列に送られた繊維束２に伝播し、前述したように開繊作用を促進する。開口２５では、並列に並んだ繊維束２の最外側が規制部材３０の面３０ａと当接させられて開繊シート全体の幅寸法と厚みを決めることができる。

実験によれば、流体通流開繊機構７の開口２７の幅方向の寸法を３２０ｍｍ長くするだけで、実施の形態１と同じ繊維束２である炭素繊維束１２Ｋの場合、幅３２０ｍｍ、厚み０．０４ｍｍの繊維シートを得ることができた。繊維束数が少なく高弾性率の炭素繊維束６Ｋを用いた場合、幅は幾分狭いけれども均一な幅と厚みの繊維シートに開繊することができた。

流体通流開繊機構７の後段側の駆動ローラ３５により一定の速度で送り出される繊維シートは、ボビンやリールに巻き取る工程や、繊維シートに樹脂などのマトリクスを含浸させるプリプレグ加工工程を設置することができる。このように、複数の巻体３に対して糸状部材の供給装置４を採用した場合、一本の繊維束２に採用した上述の実施の形態１に加えて、以下の作用効果を奏することができる。

従来であれば、複数の巻体から繊維束をそれぞれ引出して走行させるのに、それぞれの繊維束毎に張力一定化用のダンサーロールを配設するとともに、ダンサーロールの高さ位置検出用のリミットセンサー、高価なサーボモータ及びモータの速度制御装置等が必要であった。これに対して、本発明は定速の安価な汎用モータを使用することができ、かつ高さセンサーやモータ速度制御装置が不要となるので、開繊装置全体としてのコストを削減できる。

また、複数の巻体３から繊維束２を引出す時に、各巻体３の巻装径が異なっていても、繊維束２毎にアーム９の揺動で一定の張力を与えて回転ローラ８から送り出すことができる。このことで、後段側において、繊維束２を並列に配設して同時に張力変動発生機構５の水平ロッド２４ａで付与する同一の横振動で同一の縦振動を発生させることができ、後段側での吸引気流で同レベルの開繊をすることが可能となる。これにより、開繊シートの幅と厚みを均一にした高品位の開繊シートを簡単低コストで製作することができる。

本発明の実施の形態１を示す一本の繊維束を開繊する開繊装置を側面から見た構成説明図である。 図１を上面から見た構成説明図である。 図１の繊維束の供給装置の構成説明図である。 図３を上面から見た構成説明図である。 図３の正面から見た構成説明図である。 図１風洞を正面から見た構成説明図である。 図３の変形例を示す構成説明図である。 図７の上面からみた構成説明図である。 図７を正面から見た構成説明図である。 図３の変形例を示す構成説明図である。 図３の他の変形例を示す構成説明図である。 本発明の実施の形態２を示す複数の繊維束を開繊する開繊装置を側面から見た構成説明図である。 図１２を上面から見た構成説明図である。

符号の説明

１，５１ 開繊装置
２ 繊維束（糸状部材）
３ 巻体
４ 糸状部材の供給装置
７，８ 回転ローラ
９ アーム
１０ ローラ駆動手段
１４ バランスウェート
１５ 駆動モータ
１６ 駆動プーリ
１７ 従動プーリ
１８ ベルト（摩擦駆動面）

Claims (8)

1. 糸状部材を巻装した巻体と、
   前記巻体から引出される糸状部材の引出し方向に前後に離間して配設され、前記糸状部材を上下で挟み込む２組の回転ローラと、
   前記２組の回転ローラ間の糸状部材に一端が支持された揺動自在なアームであって、前記糸状部材の張力に応じた揺動角を取るアームと、
   前記アームに連結されるとともに前記２組の回転ローラのうち前段側の回転ローラの外周面に圧接しモータにより回転する摩擦駆動面を有し、前記アームの揺動と連動して前記回転ローラに対する前記摩擦駆動面の圧接力を増減させ前記糸状部材の張力を一定にするローラ駆動手段と、を具備することを特徴とする糸状部材の供給装置。
2. 前記アームの一部に、前記摩擦駆動面の圧接力を調節するバランスウェートを取付けたことを特徴とする請求項１の糸状部材の供給装置。
3. 前記ローラ駆動手段が、モータにより回転する駆動プーリ、従動プーリ、及び、駆動プーリと従動プーリとの間に掛け渡されたベルトで構成され、前記ベルトが後段の回転ローラの外周面に圧接する摩擦駆動面を構成することを特徴とする請求項１の糸状部材の供給装置。
4. 前記糸状部材を挟む上下の回転ローラのうち、前記ローラ駆動手段の摩擦駆動面が圧接する側の回転ローラを他方の回転ローラよりも大径にして前記回転ローラの駆動力を増大させたことを特徴とする請求項１の糸状部材の供給装置。
5. 請求項１から４のいずれかの糸状部材の供給装置と、糸状部材を幅広く薄い状態に開繊する開繊機構を順番に配設したことを特徴とする開繊装置。
6. 開繊機構として、糸状部材に対して直角方向の振動を与えることにより張力の繰り返し変動を発生させる張力変動発生機構と、糸状部材に流体を当てて開繊する流体通流開繊機構を順番に配設したことを特徴とする請求項５の開繊装置。
7. 前記糸状部材の供給装置と張力変動発生機構との間に、弾性部材を介して糸状部材に当接して糸状部材の張力の繰返し変動を緩和する縦振動緩和機構を設けたことを特徴とする請求項６に記載の開繊装置。
8. 流体通流開繊機構として、流送される糸状部材幅方向に流体通流を形成するために設置される両壁を流送される糸状部材幅方向に自在にスライドする機構を設けたことを特徴とする請求項６の開繊装置。

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