JP2010013253A - 繊維束用ガイド装置および繊維束巻き取り機ならびに繊維束の巻き取り方法 - Google Patents

Abstract

【課題】帯状の繊維束の捻りを適度に規制して繊維束の巻きずれおよび折り重なりを防止できる上に、捻転を規制する部材への毛羽の巻き付きも防止できる繊維束用ガイド装置を提供する。
【解決手段】本発明の繊維束用ガイド装置１０は、帯状の繊維束Ａの走行方向を案内する上流側ガイドロール１１および下流側ガイドロール１２を備え、上流側ガイドロール１１の軸と下流側ガイドロール１２の軸とが互いに垂直に配置され、繊維束Ａを上流側ガイドロール１１から下流側ガイドロール１２に移送することで９０°捻転させ、捻転角度１０°〜８０°に捻転された繊維束の両端部それぞれが一方に接触する状態で繊維束Ａを挟む回転不能な一対の捻転規制体１３ｂを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、帯状の繊維束の走行方向を案内すると共に繊維束を捻る繊維束用ガイド装置に関する。また、帯状の繊維束を巻き取る繊維束巻き取り機ならびに繊維束の巻き取り方法に関する。

一般に、炭素繊維は複数本平行に引き揃えられて使用されるため、あらかじめ帯状の繊維束の形態にされ、帯状の形態のままボビンに巻き取られている。
ところで、帯状の繊維束をボビンに巻き取る際には、ボビンの軸に対して垂直な帯状の繊維束の幅方向をボビンの軸に対して平行にする必要がある。帯状の繊維束の幅方向をボビンの軸に対して平行にしない場合には、繊維束の巻きずれや折り重なりが生じるため、ボビンの巻き形に不良が生じ、ボビンから供給した繊維束を使用する際の開繊性等が低下することがあった。

そこで、帯状の繊維束の幅方向をボビンの軸に対して平行にするための方法が提案されている。例えば、特許文献１では、複数のローラ状のトラバースガイドにより繊維束を挟み込みながら繊維束を少しずつ捻転させて、帯状の繊維束の幅方向をボビンの軸に対して平行にする方法が提案されている。また、特許文献１では、一対のローラ様のトラバースガイドで繊維束を挟んだ後、繊維束の捻転方向に湾曲した湾曲部で繊維束を挟んで、帯状の繊維束の幅方向をボビンの軸に対して平行にする方法も提案されている。
特許文献２では、繊維束の走行方向を案内する上部ガイドロールおよび下部ガイドロールを備え、上部ガイドロールの軸と下部ガイドロールの軸とが互いに垂直になるように配置され、上部ガイドロールと下部ガイドロールとの間に、繊維束に接する円錐状ロールをさらに備える繊維束用のガイド装置が提案されている。このガイド装置を用いることにより、帯状の繊維束を捻って繊維束の幅方向をボビンの軸に対して平行にしている。
特許文献１，２に記載の方法は、いずれも、帯状の繊維束の幅方向をボビンの軸に対して平行にしつつも、繊維束が過度に捻転されないように規制する方法である。
特許第２８４５６３６号公報 特開２００１−３４８１６６号公報

しかしながら、特許文献１に記載の方法ではトラバースガイドに、特許文献２に記載の方法では円錐状ロールに繊維束の毛羽が巻き付くことがあった。
そこで、本発明は、帯状の繊維束の捻転を適度に規制して繊維束の巻きずれおよび折り重なりを防止できる上に、捻転を規制する部材への毛羽の巻き付きも防止できる繊維束用ガイド装置および繊維束巻き取り機ならびに繊維束の巻き取り方法を提供することを目的とする。

本発明は、以下の構成を有する。
［１］ 帯状の繊維束の走行方向を案内する上流側ガイドロールおよび下流側ガイドロールを備え、上流側ガイドロールの軸と下流側ガイドロールの軸とが互いに垂直に配置され、前記繊維束を上流側ガイドロールから下流側ガイドロールに移送することで９０°捻転させる繊維束用ガイド装置において、
回転不能な一対の捻転規制体を有し、前記一対の捻転規制体は、捻転角度１０°〜８０°に捻転された前記繊維束の両端部がそれぞれ一方の捻転規制体に繊維束の捻転が規制されるように接触する状態で、前記繊維束を挟んで配置されたことを特徴とする繊維束用ガイド装置。
［２］ ［１］に記載の繊維束用ガイド装置と、該繊維束用ガイド装置から供給された帯状の繊維束を巻き取るボビンと、前記繊維束用ガイド装置を前記ボビンの軸に平行に往復動させるトラバース装置とを具備し、
繊維束用ガイド装置の下流側ガイドロールの軸とボビンの軸とが平行になっていることを特徴とする繊維束巻き取り機。
［３］ ［２］に記載の繊維束巻き取り機を用いた繊維束の巻き取り方法であって、
捻転角度１０°〜８０°に捻転された前記繊維束の幅方向の両端部のぞれぞれを、繊維束の捻転を規制するように前記一対の捻転規制体の一方に接触させながら、前記繊維束をボビンに巻き取る繊維束の巻き取り方法。

本発明の繊維束用ガイド装置および繊維束巻き取り機ならびに繊維束の巻き取り方法によれば、帯状の繊維束の捻りを適度に規制して繊維束の巻きずれおよび折り重なりを防止できる上に、捻転を規制する部材への毛羽の巻き付きも防止できる。

（繊維束用ガイド装置）
本発明の繊維束用ガイド装置（以下、ガイド装置と略す。）の一実施形態例について説明する。
図１および図２に、本実施形態例のガイド装置を示す。本実施形態例のガイド装置１０は、帯状の繊維束Ａの走行方向を案内する上流側ガイドロール１１および下流側ガイドロール１２と、繊維束Ａの捻転を規制する一対の捻転規制体１３ａ，１３ｂと、上流側ガイドロール１１、下流側ガイドロール１２および捻転規制体１３ａ，１３ｂを支持する支持部材１４とを備える。
このガイド装置１０は、繊維束Ａを上流側ガイドロール１１から下流側ガイドロール１２に移送することで反時計回転方向に９０°捻転させるものである。

上流側ガイドロール１１は、繊維束Ａの走行方向の上流側に設けられたガイドロールである。この上流側ガイドロール１１は、第１のガイドロール１１ａと、第１のガイドロール１１ａより下流に位置しかつ第１のガイドロール１１ａに平行に配置された第２のガイドロール１１ｂで構成されている。
下流側ガイドロール１２は、繊維束Ａの走行方向の下流側に設けられたガイドロールである。この下流側ガイドロール１２は、第３のガイドロール１２ａと、第３のガイドロール１２ａより下流に位置しかつ第３のガイドロール１２ａに平行に配置された第４のガイドロール１２ｂで構成されている。
また、上流側ガイドロール１１を構成する第１のガイドロール１１ａおよび第２のガイドロール１１ｂの各軸と、下流側ガイドロール１２を構成する第３のガイドロール１２ａおよび第４のガイドロール１２ｂの各軸とが互いに垂直に配置されている。

第２のガイドロール１１ｂと第３のガイドロール１２ａとの間隔は１０〜２０ｃｍであることが好ましく、１５〜２０ｃｍであることがより好ましい。第２のガイドロール１１ｂと第３のガイドロール１２ａとの間隔が１０ｃｍ以上であれば、繊維束Ａを緩やかに捻ることになるため、繊維束Ａをボビンに巻き取る際の繊維束Ａの巻きずれや折り重なりをより防止できる。この間隔が１５ｃｍ以上であるとより防止効果が高い。第２のガイドロール１１ｂと第３のガイドロール１２ａとの間隔が２０ｃｍ以下であれば、ガイド装置１０の占有スペースを小さくできる。

ガイドロール１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂは、円筒状のロールであるが、長さ方向の中央付近が膨らんでいてもよいし、凹んでいてもよい。
また、ガイドロール１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂはステンレス、アルミニウム、鉄等の金属で形成されるが、その周面は、巻き付きをより防止できることから、ハードクロムによる梨地仕上げ等の表面処理が施されていることが好ましい。
また、ガイドロール１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂは、直径が１５〜３０ｍｍ、長さが２０〜５０ｍｍであることが好ましい。

本実施形態例における一対の捻転規制体１３ａ，１３ｂは、回転不能で、反時計回転方向に捻転角度４５°に捻転された帯状の繊維束Ａを挟んで配置される。ここで、捻転角度とは、第２のガイドロール１１ｂから送られた繊維束Ａが捻転した角度である。捻転角度は、第２のガイドロール１１ｂから第３のガイドロール１２ａに向かうにつれて大きくなる。また、捻転角度４５°（９０°の半分）では、第２のガイドロール１１ｂおよび第３のガイドロール１２ａからの距離が等しい。
一対の捻転規制体１３ａ，１３ｂを配置しない場合、繊維束Ａはボビンに巻き取る最中に、捻転方向に過度に捻れる、すなわち所望の角度（ここでは４５°）より大きく捻れるか、又は捻転方向とは反対に捻れる場合がある。このような現象が生じた場合、繊維束Ａの巻きずれや折り重なりが生じるため、ボビンの巻き形に不良が生じることになる。
この望ましくない捻れは、帯状にされた繊維束Ａの全ての単繊維が均一に引き揃えられていないため部分的に張力が変化したり、蛇行して仮撚り状態となったりすることによって発生しやすくなると考えられる。
本発明では、一対の捻転規制体１３ａ，１３ｂは、繊維束Ａの幅方向の両端部の一方を捻転規制体１３ａに、他方を捻転規制体１３ｂに接触させる。これにより、繊維束Ａの捻転を規制すること、すなわち、繊維束Ａが捻転方向とは反対に捻れようとすること、あるいは繊維束Ａが捻転方向に過度に捻れようとすることを防止できる。したがって、繊維束Ａをボビンに巻き取る際には繊維束Ａの巻きずれや折り重なりを防止することができる。

具体的に、本実施形態例における捻転規制体１３ａ，１３ｂは、各々、互いに平行で回転（自転）不能な円柱状のピンである。図３に示すように、各捻転規制体１３ａ，１３ｂは捻転規制体支持体１３ｃによって支持されている。また、図２に示すように、捻転規制体支持体１３ｃは、支持部材１４に固定されている。
以下、捻転規制体１３ａ，１３ｂと捻転規制体支持体１３ｃにより構成される部材のことを補助ガイド部材１３ということがある。

繊維束Ａ端部が一対の捻転規制体１３ａ，１３ｂに押し付けられる角度（以下、押し付け角度という。）は０°〜２０°であることが好ましい。押し付け角度が０°以上であれば、繊維束Ａをボビンに巻き取る際の繊維束Ａの巻きずれや折り重なりをより防止できる。しかし、押し付け角度が２０°を超えると、捻転規制体１３ａ，１３ｂにて繊維束Ａに付与する力が過度になるため、繊維束Ａをボビンに巻き取る際の繊維束Ａの巻きずれや折り重なりをかえって助長するおそれがある。

一対の捻転規制体１３ａ，１３ｂの間隔は、繊維束Ａの幅や厚さにもよるが、０．２〜２．０ｍｍであることが好ましい。捻転規制体１３ａ，１３ｂの間隔が０．５ｍｍ以上であれば、繊維束Ａが捻転規制体１３ａ，１３ｂに引っ掛かることなく円滑に通過し、２．０ｍｍ以下であれば、繊維束Ａをボビンに巻き取る際の繊維束Ａの巻きずれや折り重なりをより防止できる。
特に、繊維束Ａの幅が６ｍｍの場合には、捻転規制体１３ａ，１３ｂの間隔は０．２〜０．５ｍｍであることがより好ましく、繊維束Ａの幅が１１ｍｍの場合には、０．５〜１．０ｍｍであることがより好ましい。
また、繊維束Ａが厚くなる程、捻転規制体１３ａ，１３ｂの間隔は広げることが好ましい。繊維束Ａを厚くした際に捻転規制体１３ａ，１３ｂの間隔を変えないと、捻転規制体１３ａ，１３ｂに接触する面積が大きくなり、擦れによる毛羽立ちが生じやすくなる。しかし、繊維束Ａを厚くした際に捻転規制体１３ａ，１３ｂの間隔を広げれば、接触面積の増加を抑制できるため、毛羽立ちを防止できる。
また、捻転規制体１３ａ，１３ｂはステンレス、アルミニウム、鉄等の金属やセラミックで形成されるが、その周面は、巻き付きをより防止できることから、ハードクロムによる梨地仕上げ等の表面処理が施されていることが好ましい。

このガイド装置１０は以下のようにして使用される。
すなわち、まず、帯状の繊維束Ａを第１のガイドロール１１ａの周面および第２のガイドロール１１ｂの周面に順次掛け回して、繊維束Ａの走行方向を捻転規制体１３ａ，１３ｂに向ける。
次いで、第２のガイドロール１１ｂから送られた繊維束Ａを、一対の捻転規制体１３ａ，１３ｂの間を通過させ、第３のガイドロール１２ａに供給する。
次いで、第３のガイドロール１２ａに到達した繊維束Ａを、第３のガイドロール１２ａの周面および第４のガイドロール１２ｂの周面に掛け回す。
このようにガイド装置１０を用いることにより、繊維束Ａの走行方向を案内しながら、繊維束Ａを９０°捻転させることができる。

上記ガイド装置１０では、ピン状の一対の捻転規制体１３ａ，１３ｂによって捻転角度４５°の繊維束Ａをその両端部のそれぞれが捻転規制体１３ａ，１３ｂの一方に接触する状態で挟むことによって過度の或いは反対方向の捻転を規制するため、繊維束Ａに付与されるねじりの力を弱めることができる。そのため、ボビンに巻き取る際の繊維束Ａの巻きずれや折り重なりを防止することができる。しかも、図３に示すように、繊維束Ａは両端部分のみが回転不能な捻転規制体１３ａ，１３ｂに接触するだけで、掛け回されることもないため、捻転規制体１３ａ，１３ｂへの繊維束Ａの毛羽の巻き付きを防止できる。
これに対し、特許文献１，２に記載の繊維束の巻き取りでは、繊維束の捻転を規制する部材が回転可能なローラであるため、繊維束の毛羽の巻き付きが生じると推測される。
また、２本のピンから構成された一対の捻転規制体１３ａ，１３ｂを有する補助ガイド部材１３は単純な構造であり、既存のガイド装置にも容易に取り付けることができ、経済的である。

（繊維束巻き取り機）
上記ガイド装置１０を用いた繊維束巻き取り機（以下、巻き取り機と略す。）の一実施形態例について説明する。
図４に、本実施形態例の巻き取り機を示す。本実施形態例の巻き取り機１は、上記ガイド装置１０と、ガイド装置１０から供給された繊維束Ａを巻き取るボビン２０と、ガイド装置１０をボビン２０の軸に平行に往復動させるトラバース装置３０とを具備する。また、ガイド装置１０の第４のガイドロール１２ｂの軸とボビン２０の軸とが平行になるように配置されている。

ボビン２０は回転可能な円筒体であり、円筒体が回転することによって、繊維束Ａを巻き取れるようになっている。

トラバース装置３０は、トラバースガイド３１と、トラバースガイド３１に往復動可能にガイド装置１０を固定する固定部材３２と、固定部材３２を往復動させる駆動手段（図示せず）とを備える。
トラバースガイド３１は長尺の板状で、長さ方向がボビン２０の軸に平行になるように配置されている。
固定部材３２は、把持部３２ａによってトラバースガイド３１の幅方向の両端部を把持して、トラバースガイド３１に取り付けられている。また、固定部材３２には、ガイド装置１０が、支持部材１４が鉛直方向に立設するように固定されている。
駆動手段としては、エネルギーを往復直線運動に変換する各種アクチュエータを用いることができる。

（繊維束の巻き取り方法）
上記巻き取り機１を用いて繊維束Ａをボビン２０に巻き取るためには、トラバース装置３０によりガイド装置１０をボビン２０の軸と平行に往復動させながら、ガイド装置１０により繊維束Ａを捻転させ、ガイド装置１０の第４のガイドロール１２ｂから、回転するボビン２０に供給する。
これにより、ボビン２０の一端から他端に向かって繊維束Ａを順次巻き付けた後、ボビン２０の他端から一端に向かって繊維束Ａを順次巻き付ける。これを繰り返すことにより、ボビン２０に繊維束Ａを巻き取る。

繊維束Ａとしては、各種の繊維で構成された繊維束を使用できるが、炭素繊維束が好適に使用される。炭素繊維束は、複数本平行に引き揃えられた状態で使用され、使用時に開繊性が求められるため、本発明に適している。

以上説明した巻き取り機１では、上記ガイド装置１０を用いているため、巻きずれや折り重なりおよび毛羽立ちを防止しながら繊維束Ａを巻き取ることができる。特に、トラバース装置３０によりガイド装置１０の移動方向を反転させた際には、繊維束Ａにおける張力が不均一になるため、繊維束Ａの巻きずれや折り重なりが起き易い状態になるが、上記ガイド装置１０を用いることにより、ガイド装置１０の移動方向を反転させた際でも、繊維束Ａの巻きずれや折り重なりを防止できる。
上記のように、巻きずれおよび折り重なりが防止された状態で繊維束Ａを巻き取ることができるため、上記巻き取り機１を用いて繊維束Ａボビン２０に巻き取って得た巻き取り体は巻き形が良好になっている。
巻き取り体の巻き形が良好になると、後工程にて繊維束を開繊させる際の開繊性が高くなる。
また、巻き取り体端面が均一になりやすく、シュリンクフィルムにより包装する際の端面損傷を防止でき、さらには、後工程での綾落ちやリンガーの発生を防止できる。
さらに、得られた巻き取り体から供給した繊維束をフィラメントワインディング法や引き抜き法により成形した成形体の物性が向上する。また、得られた巻き取り体から供給した繊維束を用いて得たプリプレグの性能が向上する。

なお、本発明は、上記実施形態例に限定されない。例えば、上記実施形態例では、捻転規制体１３ａ，１３ｂが捻転角度４５°の繊維束を挟んでいたが、本発明では、捻転規制体１３ａ，１３ｂが挟む繊維束は捻転角度１０°〜８０°のものであればよい。捻転角度が１０°未満の繊維束を挟んで捻転を規制しても、捻転角度が８０°を超える繊維束を挟んで捻転を規制しても、繊維束Ａをボビンに巻き取る際の繊維束Ａの巻きずれや折り重なりを防止できないことがある。
また、上記実施形態例では、繊維束Ａは反時計回転方向に捻転されているが、時計回転方向に捻転させることも可能である。
捻転規制体１３ａ，１３ｂのピンの形状は、円柱状でなくてもよく、例えば、三角柱状、四角柱状、五角柱状などであってもよい。ただし、接触面積が小さくなるように、側面の角が繊維束に接するように配置することが好ましい。
また、捻転規制体はピンでなくてもよく、例えば、スリットが形成された板の、スリットの長辺になる部分であってもよい。この場合、一対の長辺部分によって繊維束を挟み込むことになる。
また、上記実施形態例では、一対の捻転規制体が１つであったが、２つ以上であっても構わない。しかし、一対の捻転規制体を複数にしても、繊維束Ａの巻きずれや折り重なりの防止効果がより向上するとは限らず、かえって繊維束Ａを通す手間が増えるだけである。したがって、一対の捻転規制体は１つであることが最も好ましい。

図４に示す巻き取り機を用いて、炭素繊維束をボビン２０に巻き取った。その際、炭素繊維束の種類、捻転規制体による繊維束の捻転角度、捻転規制体になるピンの本数、２本のピンの間隔を表１に示すように変更した。
なお、使用した炭素繊維束は以下の物性のものである。
ＣＦ−１：繊維束厚み６ｍｍ （繊維束硬さ：ソフト）
ＣＦ−２：繊維束厚み６ｍｍ （繊維束硬さ：ハード）
ＣＦ−３：繊維束厚み１１ｍｍ

得られた巻き取り体について、巻き形を目視により以下の評価基準で評価した。巻き形の評価結果を表１に示す。巻き形が良好である程、繊維束の巻きずれや折り重なりが防止されていることを意味する。
◎：ボビン端面が綺麗に垂直に巻かれており、全く繊維束のズレが無い
○：ボビン端面が比較的綺麗に巻かれており、繊維束のズレがほとんど無い
△：ボビン端面は比較的綺麗に巻かれているが、一部繊維束のズレが見られる
×：ボビン端面が乱れ、繊維束がはみ出ており、一部で綾落ちしている
また、捻転規制体１３ａ，１３ｂに炭素繊維束が通過する際の走行円滑性を目視により以下の評価基準で評価した。走行円滑性を表１に示す。
◎：捻転規制体への毛羽が溜まらない
○：捻転規制体へ多少の毛羽が付着する
×：捻転規制体へ毛羽の堆積が見られる

一対の捻転規制体１３ａ，１３ｂによって繊維束Ａの両端部のそれぞれを一方の捻転規制体に接触させた状態で繊維束Ａを挟んだ実施例１〜９の巻き取りでは、得られた巻き取り体の巻き形が良好であった。しかも、実施例１〜９で用いている捻転規制体１３ａ，１３ｂはローラ状のものではないため、繊維束の毛羽が巻き付かなかった。
また、実施例４〜６の対比より、一対の捻転規制体１３ａ，１３ｂが挟む繊維束Ａの捻転角度が４５°であると、巻き形が特に良好になることが判明した。
また、実施例５，７〜９の対比より、一対の捻転規制体１３ａ，１３ｂの間隔が０．５〜１．０ｍｍの実施例５，８では巻き形が特に良好になることが判明した。さらには、捻転規制体１３ａ，１３ｂの間隔が広くなる程、捻転規制体１３ａ，１３ｂの間の繊維束の走行円滑性が向上することが判明した。
これに対し、ピンを有していない比較例４〜６では、巻き形が不良であった。
また、ピンの本数が１本の比較例１〜３でも、炭素繊維束を挟んでいないため、巻き形が不良であった。

本発明のガイド装置の一実施形態例を示す側面図である。 図１に示すガイド装置における第２のガイドロールと第３のガイドロールと補助ガイド部材との配置状態を示す図である。 図１に示すガイド装置を構成する補助ガイド部材を示す上面図である。 本発明の繊維束巻き取り機の一実施形態例の概略を示す図である。

符号の説明

１ 巻き取り機（繊維束巻き取り機）
１０ ガイド装置（繊維束用ガイド装置）
１１ 上流側ガイドロール
１１ａ 第１のガイドロール
１１ｂ 第２のガイドロール
１２ 下流側ガイドロール
１２ａ 第３のガイドロール
１２ｂ 第４のガイドロール
１３ 補助ガイド部材
１３ａ，１３ｂ 捻転規制体
１３ｃ 捻転規制体支持体
１４ 支持部材
２０ ボビン
３０ トラバース装置
３１ トラバースガイド
３２ 固定部材

Claims (3)

1. 帯状の繊維束の走行方向を案内する上流側ガイドロールおよび下流側ガイドロールを備え、上流側ガイドロールの軸と下流側ガイドロールの軸とが互いに垂直に配置され、前記繊維束を上流側ガイドロールから下流側ガイドロールに移送することで９０°捻転させる繊維束用ガイド装置において、
   回転不能な一対の捻転規制体を有し、前記一対の捻転規制体は、捻転角度１０°〜８０°に捻転された前記繊維束の両端部がそれぞれ一方の捻転規制体に繊維束の捻転が規制されるように接触する状態で、前記繊維束を挟んで配置されたことを特徴とする繊維束用ガイド装置。
2. 請求項１に記載の繊維束用ガイド装置と、該繊維束用ガイド装置から供給された帯状の繊維束を巻き取るボビンと、前記繊維束用ガイド装置を前記ボビンの軸に平行に往復動させるトラバース装置とを具備し、
   繊維束用ガイド装置の下流側ガイドロールの軸とボビンの軸とが平行になっていることを特徴とする繊維束巻き取り機。
3. 請求項２に記載の繊維束巻き取り機を用いた繊維束の巻き取り方法であって、
   捻転角度１０°〜８０°に捻転された前記繊維束の幅方向の両端部のぞれぞれを、繊維束の捻転を規制するように前記一対の捻転規制体の一方に接触させながら、前記繊維束をボビンに巻き取る繊維束の巻き取り方法。

Images