JP2015224110A - テンション制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】従来よりも高精度なテンション制御を実現する。
【解決手段】テンションを付与する対象物に空気を噴き付けることにより対象物を非接触で押圧する押圧部材と、押圧部材の位置を可変するアクチュエータと、空気の圧力を検出する圧力センサと、対象物の押圧部材からの浮上量を検出するギャップセンサと、圧力センサの検出値及びギャップセンサの検出値に基づいてアクチュエータを制御する演算機とを具備する。
【選択図】図１

Description

本発明は、テンション制御装置に関する。

下記特許文献１には、帯状のウェブ（ワーク）を連続的に走行させて搬送する搬送装置が開示されている。この搬送装置では、エアーを用いることでウェブを浮上させた状態（非接触状態）で移動方向を変えるフロータと、当該フロータをウェブの搬送方向に対して垂直な方向に移動させるアクチュエータと、ウェブとフロータとの間の圧力を検知する圧力センサーとを備え、圧力センサーの検出結果に基づいてアクチュエータを制御することにより、走行状態のウェブに張力を付与する。

特開２００１−２８６８０９号公報

ところで、上記従来の搬送装置におけるワークへのテンション（張力）付与技術は、ワークとフロータとの間の圧力に基づいてワークの搬送方向に対して垂直な方向におけるフロータの位置を調節するものであり、高精度なテンション制御が困難であった。薄型化する等の理由からワークが比較的脆弱になると、ワークにダメージを与えないために高精度（微妙）なテンション制御が必要となる。

また、ワークを間欠送りをする場合には、ワークが走行状態から停止状態あるいは停止状態から走行状態に変化する状態変化時にワークに過度のテンションが掛かり易いが、比較的脆弱なワークの場合には、間欠送りに際してより高精度なテンション制御を実現して、ワークに対する過度のテンションの付与を回避する必要がある。このように、比較的脆弱なワークの搬送に際して、従来のテンション（張力）付与技術は、制御精度的に不十分であり、より高精度なテンション制御の実現が望まれている。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、従来よりも高精度なテンション制御を実現することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明では、テンション制御装置に係る第１の解決手段として、テンションを付与する対象物に空気を噴き付けることにより前記対象物を非接触で押圧する押圧部材と、前記押圧部材の位置を可変するアクチュエータと、前記空気の圧力を検出する圧力センサと、前記対象物の前記押圧部材からの浮上量を検出するギャップセンサと、前記圧力センサの検出値及び前記ギャップセンサの検出値に基づいて前記アクチュエータを制御する制御部とを具備する、という手段を採用する。

本発明では、テンション制御装置に係る第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、前記対象物は、帯状かつ長手方向に走行する部材であり、前記押圧部材は、前記対象物に対して走行方向に直行する軸周りに湾曲すると共に前記対象物の幅よりも大きな幅の案内面を備え、前記案内面から前記空気を前記対象物に向かって噴き付ける、という手段を採用する。

本発明では、テンション制御装置に係る第３の解決手段として、上記第２の解決手段において、前記圧力センサは、前記案内面を挟んで前記対象物の反対側に設けられ、前記ギャップセンサは、前記対象物を挟んで前記案内面に対向するように設けられる、という手段を採用する。

本発明では、テンション制御装置に係る第４の解決手段として、上記第１〜第３のいずれかの解決手段において、前記制御部は、前記圧力センサの検出値が所定の圧力しきい値よりも大きい場合あるいは前記ギャップセンサの検出値が所定のギャップしきい値よりも大きい場合は、前記圧力センサの検出値に基づいて前記アクチュエータを制御し、前記圧力センサの検出値が所定の圧力しきい値以下の場合あるいは前記ギャップセンサの検出値が所定のギャップしきい値以下の場合には、前記ギャップセンサの検出値に基づいて前記アクチュエータを制御する、という手段を採用する。

本発明では、テンション制御装置に係る第５の解決手段として、上記第１〜第４のいずれかの解決手段において、前記アクチュエータは、前記押圧部材を直動させるボールねじあるいは前記押圧部材を回動させるモータである、という手段を採用する。

本発明によれば、空気の圧力を検出する圧力センサの検出値に加えて、対象物の押圧部材からの浮上量を検出するギャップセンサの検出値に基づいてアクチュエータを制御するので、従来の圧力のみを検出する場合よりも高精度なテンション制御を実現することが可能である。

本発明の一実施形態に係るテンション制御装置の機能構成を示すブロック図である。 本発明の一実施形態に係るテンション制御装置において、帯状シートのテンションＴとエアー圧力Ｐ及び浮上ギャップｄとの関係を示す特性図である。 本発明の一実施形態に係るテンション制御装置の制御動作を示す第１のフローチャートである。 本発明の一実施形態に係るテンション制御装置の制御動作を示す第２のフローチャートである。 本発明の一実施形態に係るテンション制御装置の制御動作を示す第３のフローチャートである。 本発明の一実施形態に係るテンション制御装置の制御動作を示す第４のフローチャートである。 本発明の一実施形態に係るテンション制御装置において、アクチュエータの変形例を示す模式図である。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。
本実施形態に係るテンション制御装置は、図１に示すように、エアターンバー１（押圧部材）、連結部材２、ボールねじ３（アクチュエータ）、圧力センサ４、ギャップセンサ５及び演算機６（制御部）を備えている。

このテンション制御装置は、帯状かつ長手方向に走行する部材（帯状部材Ｗ）をテンション付与（張力付与）の対象物とするものである。この帯状部材Ｗは、例えば樹脂あるいはガラスからなる所定幅の薄型シートであり、幅方向に直交する長手方向に走行することにより搬送される。

エアターンバー１は、このような帯状部材Ｗを非接触で押圧することにより、所望のテンションを付与する押圧部材である。すなわち、このエアターンバー１は、長手方向に走行する帯状部材Ｗの途中部位に対して円弧状に湾曲した案内面１ａからエアー（空気）を噴き付けることにより、帯状部材Ｗを非接触で押圧する。上記案内面１ａは、帯状部材Ｗの走行方向に直行する軸周りに湾曲すると共に帯状部材Ｗの幅よりも大きな幅を備える円弧面（シリンドリカル面）である。

このようなエアターンバー１は、図示するように案内面１ａで帯状部材Ｗを湾曲させて折り返す状態に保持する。なお、エアターンバー１については、上記エアー（空気）に代えて、他の気体（例えば窒素等の不活性ガス）を帯状部材Ｗに吹付けるものであってもよい。

連結部材２は、上記エアターンバー１に連結された所定形状の部材であり、エアターンバー１をボールねじ３に連結する。ボールねじ３は、エアターンバー１の位置を可変するアクチュエータである。すなわち、このボールねじ３は、上記連結部材２を介して連結されたエアターンバー１を直線的に移動（直動）させる。一般にボールねじはアクチュエータとして周知なので詳細構成を省略するが、ボールねじ３は、棒状の雄ネジ部が回動することにより、当該雄ネジ部に噛み合う雌ネジ部に連結部材２を介して連結されたエアターンバー１を、矢印で示すように往復動（上下動）させる。

圧力センサ４は、上記エアターンバー１内、つまり案内面１ａを挟んで帯状部材Ｗの反対側に設けられ、エアターンバー１の案内面１ａから帯状部材Ｗに向けて吹付けられるエアーの圧力をエアー圧力Ｐとして検出する。この圧力センサ４は、上記エアー圧力Ｐを示す検出値を演算機６に出力する。ギャップセンサ５は、帯状部材Ｗを挟んで案内面１ａに対向するように設けられており、帯状部材Ｗのエアターンバー１からの浮上量、つまり案内面１ａと帯状部材Ｗとのギャップ幅を浮上ギャップｄとして検出する。このギャップセンサ５は、浮上ギャップｄを示す検出値を演算機６に出力する。

演算機６は、上記エアー圧力Ｐを示す検出値及び浮上ギャップｄを示す検出値に基づいてボールねじ３をフィードバック制御する制御部である。この演算機６は、予め記憶された制御プログラムに基づいて制御量であるエアー圧力Ｐ及び浮上ギャップｄを情報処理することにより、ボールねじ３の操作量を演算するソフトウエア制御装置である。

この演算機６は、例えばＰＩＤ（Proportional Integral Derivative Controller）制御アルゴリズムに基づいてエアー圧力Ｐ及び浮上ギャップｄを情報処理することによりＰＩＤ操作量を演算する。また、この演算機６は、上記ＰＩＤ操作量をボールねじ３に供給することによりボールねじ３の位置を調節させることによって、エアターンバー１が帯状部材Ｗに付与するテンション（張力）をフィードバック制御する。

次に、このように構成されたテンション制御装置の動作について、図２及び図３をも参照して詳しく説明する。

最初に、図２を参照してエアターンバー１が帯状部材Ｗに付与するテンションＴとエアー圧力Ｐ及び浮上ギャップｄとの関係について説明する。この図２に示すように、エアー圧力ＰはテンションＴに対して比例関係にある。すなわち、エアー圧力Ｐは、テンションＴが増大するに従って直線的に増大する。

これに対して、浮上ギャップｄは、エアー圧力Ｐとは逆の変化を示す。すなわち、浮上ギャップｄは、テンションＴが増大するに従って非線形に減少する。また、浮上ギャップｄの変化傾向は、テンションＴが比較的小さい領域において変化率（傾き）が大きく、一方。テンションＴが比較的大きい領域において変化率（傾き）が小さくなる。

本実施形態に係るテンション制御装置は、このようなテンションＴに対するエアー圧力Ｐ及び浮上ギャップｄの関係を利用してボールねじ３の位置を調節することにより、帯状部材Ｗに付与するテンション（張力）をフィードバック制御する。すなわち、テンション制御装置は、図３のフローチャートに示す手順に従って生成したアクチュエータ指令１あるいはアクチュエータ指令２をボールねじ３に出力することによって、帯状部材Ｗのテンション（張力）が所望の目標テンション（目標値）を維持するように制御する。

テンション制御装置の演算機６は、圧力センサ４が出力するエアー圧力Ｐの検出値（圧力検出値）及びギャップセンサ５が出力する浮上ギャップｄの検出値（ギャップ検出値）を所定のタイムインターバルで定期的に取り込む。より具体的には、演算機６は、上記圧力検出値を取り込むと（ステップＳ１）、当該圧力検出値に基づくＰＩＤ操作量１を演算する（ステップＳ２）。そして、演算機６は、上記ギャップ検出値を取り込むと（ステップＳ３）、当該ギャップ検出値に基づくＰＩＤ操作量２を演算する（ステップＳ４）。

そして、演算機６は、上記圧力検出値が予め内部に記憶された圧力しきい値より大きいか否かを判断する（ステップＳ４）。そして、この判断の結果が「Ｙｅｓ」の場合は、ＰＩＤ操作量１に基づくアクチュエータ指令１をボールねじ３に出力し、一方、上記判断の結果が「Ｎｏ」の場合には、ＰＩＤ操作量２に基づくアクチュエータ指令２をボールねじ３に出力する。

ここで、図２に示すように、エアー圧力Ｐの変化率は一定であるが、浮上ギャップｄの変化率はテンションが増大するに従って小さくなり、エアー圧力Ｐの変化率と浮上ギャップｄの変化率とは、特定のエアー圧力Ｐあるいは浮上ギャップｄにおいて大小関係が逆転する。上記圧力しきい値は、エアー圧力Ｐの変化率と浮上ギャップｄの変化率との大小関係が逆転するエアー圧力Ｐに相当する。

すなわち、圧力検出値が圧力しきい値より大きい場合、つまりエアー圧力Ｐの変化率が浮上ギャップｄの変化率よりも大きい場合におけるＰＩＤ操作量１は、ＰＩＤ操作量２よりも制御感度の高い操作量である。これに対して、圧力検出値が圧力しきい値以下の場合、つまり浮上ギャップｄの変化率がエアー圧力Ｐの変化率以上の場合におけるＰＩＤ操作量２は、ＰＩＤ操作量１よりも制御感度の高い操作量である。

したがって、本実施形態に係るテンション制御装置によれば、ＰＩＤ操作量１に基づくアクチュエータ指令１及びＰＩＤ操作量２に基づくアクチュエータ指令２のうち、制御感度の高い方のＰＩＤ操作量に基づくアクチュエータ指令をボールねじ３に出力するので、従来よりも高精度なテンション制御を実現することができる。

また、本実施形態に係るテンション制御装置によれば、予め演算したＰＩＤ操作量１及びＰＩＤ操作量２を択一的に選択することによりアクチュエータ指令１あるいはアクチュエータ指令２を生成してボールねじ３に出力するので、ボールねじ３の迅速な制御が可能であり、これによっても高精度なテンション制御を実現することができる。

また、本実施形態に係るテンション制御装置によれば、帯状部材Ｗの走行方向に直行する軸周りに湾曲すると共に帯状部材Ｗの幅よりも大きな幅の案内面１ａを備えたエアターンバー１を備えるので、帯状部材Ｗに対して安定したテンションを付与することが可能である。
また、本実施形態に係るテンション制御装置によれば、案内面１ａを挟んで帯状部材Ｗの反対側に設けられた圧力センサ４及び帯状部材Ｗを挟んで案内面１ａに対向するように設けられたギャップセンサ５を備えるので、エアー圧力Ｐ及び浮上ギャップｄを正確に検出することが可能である。
また、本実施形態に係るテンション制御装置によれば、アクチュエータとしてボールねじ３を用いるので、耐久性に優れたテンション制御装置を提供することができる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような変形例が考えられる。
（１）上記実施形態では、演算機６の制御処理の一例として図３のフローチャートに示す手順を説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば演算機６が図３のステップＳ５に代えて図４のフローチャートに示すステップＳ５ａを実行してもよい。すなわち、圧力検出値を圧力しきい値と比較することに代えて、ギャップ検出値をギャップしきい値と比較してもよい。

この場合におけるギャップしきい値は、エアー圧力Ｐの変化率と浮上ギャップｄの変化率との大小関係が逆転する浮上ギャップｄに相当する。このような図４の制御処理によっても、図３の制御処理と同様に、制御感度の高い方のＰＩＤ操作量に基づくアクチュエータ指令をボールねじ３に出力するので、従来よりも高精度なテンション制御を実現することができる。

（２）また、演算機６の制御処理については、図３のフローチャートに示すステップＳ１〜Ｓ７の順番を図６のフローチャートに示すように入れ替えてもよい。すなわち、ステップＳ２，Ｓ４をステップＳ５の前処理として実行するのではなく、ステップＳ５の後処理として実行してもよい。

（３）また、演算機６の制御処理については、図３のフローチャートに示すステップＳ１〜Ｓ７の順番を図５のフローチャートに示すように入れ替えてもよい。すなわち、ステップＳ３，Ｓ４をステップＳ５の前処理として実行するのではなく、ステップＳ５の後処理として実行してもよい。

なお、本願発明は、従来から使用されていた圧力センサーに加えて、ギャップセンサーをも用いてアクチュエータを制御することにより、押圧部材が対象物に付与するテンションを高精度に調整するものである。したがって、圧力センサーの検出値とギャップセンサーの検出値の利用形態は、図３〜図６のフローチャートに限定されるものではない。

（４）上記実施形態ではアクチュエータとしてボールねじ３を用いたが、本発明はこれに限定されない。例えば図７に示すように、アクチュエータとしてエアターンバー１を回転軸周りに回動（回転運動）させるモータ３Ａを用いてもよい。このモータ３Ａとしてはエアターンバー１を高精度に位置設定可能なサーボモータが好ましい。なお、アクチュエータについては、上記ボールねじ３やモータ３Ａに限定されることなく、既存の各種アクチュエータが採用可能である。

１ エアターンバー（押圧部材）
２ 連結部材
３ ボールねじ（アクチュエータ）
４ 圧力センサ
５ ギャップセンサ
６ 演算機（制御部）

上記目的を達成するために、本発明では、テンション制御装置に係る第１の解決手段として、テンションを付与する対象物に気体を噴き付けることにより前記対象物を非接触で押圧する押圧部材と、前記押圧部材の位置を可変するアクチュエータと、前記気体の圧力を検出する圧力センサと、前記対象物の前記押圧部材からの浮上量を検出するギャップセンサと、前記圧力センサの検出値及び前記ギャップセンサの検出値に基づいて前記アクチュエータを制御する制御部とを具備する、という手段を採用する。

本発明では、テンション制御装置に係る第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、前記対象物は、帯状かつ長手方向に走行する部材であり、前記押圧部材は、前記対象物に対して走行方向に直行する軸周りに湾曲すると共に前記対象物の幅よりも大きな幅の案内面を備え、前記案内面から前記気体を前記対象物に向かって噴き付ける、という手段を採用する。

本発明によれば、気体の圧力を検出する圧力センサの検出値に加えて、対象物の押圧部材からの浮上量を検出するギャップセンサの検出値に基づいてアクチュエータを制御するので、従来の圧力のみを検出する場合よりも高精度なテンション制御を実現することが可能である。

Claims (5)

1. テンションを付与する対象物に空気を噴き付けることにより前記対象物を非接触で押圧する押圧部材と、
   前記押圧部材の位置を可変するアクチュエータと、
   前記空気の圧力を検出する圧力センサと、
   前記対象物の前記押圧部材からの浮上量を検出するギャップセンサと、
   前記圧力センサの検出値及び前記ギャップセンサの検出値に基づいて前記アクチュエータを制御する制御部と
   を具備することを特徴とするテンション制御装置。
2. 前記対象物は、帯状かつ長手方向に走行する部材であり、
   前記押圧部材は、前記対象物に対して走行方向に直行する軸周りに湾曲すると共に前記対象物の幅よりも大きな幅の案内面を備え、前記案内面から前記空気を前記対象物に向かって噴き付けることを特徴とする請求項１記載のテンション制御装置。
3. 前記圧力センサは、前記案内面を挟んで前記対象物の反対側に設けられ、
   前記ギャップセンサは、前記対象物を挟んで前記案内面に対向するように設けられる
   ことを特徴とする請求項２記載のテンション制御装置。
4. 前記制御部は、前記圧力センサの検出値が所定の圧力しきい値よりも大きい場合あるいは前記ギャップセンサの検出値が所定のギャップしきい値よりも大きい場合は、前記圧力センサの検出値に基づいて前記アクチュエータを制御し、前記圧力センサの検出値が所定の圧力しきい値以下の場合あるいは前記ギャップセンサの検出値が所定のギャップしきい値以下の場合には、前記ギャップセンサの検出値に基づいて前記アクチュエータを制御することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のテンション制御装置。
5. 前記アクチュエータは、前記押圧部材を直動させるボールねじあるいは前記押圧部材を回動させるモータであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のテンション制御装置。
   

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