JP3221124B2 - 金属被覆繊維強化プラスチック製ロール - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、軽量でしかも高剛性を
必要とする繊維強化プラスチック製ロールであって、表
面硬度、耐摩耗性等において金属並の表面特性を有し、
例えば合成樹脂フィルムの製造における、製品の薄肉
化、高精度化、搬送速度の高速化、また印刷における印
刷速度の高速化、色ずれ防止等に効果のある高性能ロー
ルに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、合成樹脂フィルム等の製品の製造
や印刷等にはスチール、アルミ等の金属ロールが用いら
れて来た。しかし近年、生産スピードの高速化、製品の
薄肉化、高精度化にともない、重い金属製ロールでは問
題になる分野が生じてきた。例えば、ビデオ用等の薄い
合成樹脂フィルムを搬送する場合、フィルム巻取りの起
動時、停止時のようにライン速度が変わる場合には、フ
ィルムのテンション、ロール周速等が非定常状態になる
ので、厚みムラやスリキズの原因になる。これらを回避
するため可及的速やかにロールの周速を、変更したフィ
ルムライン速度に合わせることが必要である。ロールの
周速がフィルムとの摩擦により、変更したライン速度に
到達するまでの時間は、ほぼロールの慣性モーメントに
比例するので、従来使われているスチールロールのよう
に重くて、慣性モーメントが大きいロールの場合には、
その分、長い到達時間を必要とする。フィルムが、ライ
ンスピードとロール周速との速度差に長時間、曝される
ことになるため、フィルムには長い距離に亘ってスリキ
ズが発生し、また厚みムラ等が原因となり、商品規格を
満足することができない部分が多くなる。ライン速度が
更に高速になった場合には、上述の傾向は加速度的に甚
だしくなり、遂にはスチールロールでは追従できなくな
る。これらのスチールロールの回転を巻取速度と同調さ
せようとすると、各々のロールに制御装置が必要とな
り、莫大な改造費を要することになる。

【０００３】また、アルミニウムは比較的軽量のロール
が可能であるが、フィルムしわ発生等の問題でたわみの
制限が厳しい場合には弾性率の点で採用が難しい。この
ため、金属に比べて弾性率が高く、密度の低い、即ち比
弾性率の大きい炭素繊維が注目されるに至った。ところ
が、ロールの素材となる炭素繊維強化プラスチックは繊
維の配向方向の弾性率は高いものの、厚さ方向の表面硬
度は金属に比べて低く、ロールとして重要な特性である
表面硬度、耐摩耗性を補うため、メッキ等の対策が必要
である。しかし、メッキ施工のし易さの点で、繊維強化
プラスチックは金属に劣ることが知られている。

【０００４】例えば、炭素繊維強化プラスチック製ロー
ルに硬質クロムメッキを施す場合には特開昭６１−１９
４１９７号公報に示されるように素管表面に銀などの導
電金属を含むエポキシ樹脂の導電膜を形成したうえで、
下地メッキとしてニッケル又は銅層を電解メッキで形成
し、さらにそのうえに耐摩耗性の高いクロムメッキ層を
被覆形成させ、研磨仕上りにより金属被覆ローラーが出
来上がると記述されている。

【０００５】

【発明が解決すべき課題】しかしなから、かかる従来の
繊維強化プラスチック製ロールでは、このように手間を
要し、また銀などの高価な材料を用いるためロールの製
造コストの点で好ましくなく、また、メッキ層の剥離強
度は金属の上に直接メッキした場合よりも小さくなると
考えられる。さらに、繊維強化プラスチック製素管の最
外層に耐摩耗性に優れる硬質クロムメッキを施すために
は、通電電流を大きくする必要があり、電気抵抗が金属
に比べて大きい素管表面に直接硬質クロムメッキするこ
とは難しいので、通電金属を含むエポキシ樹脂などの下
地処理を行なった上に、更にニッケル、銅などの金属メ
ッキを下地メッキとして厚く施し、最終目的である硬質
クロムメッキを施さざるを得ないという課題があった。

【０００６】

【課題を解決するための手段】そこで本発明者らは、鋭
意検討の結果、かかる課題がある特定の剛性を有する繊
維強化プラスチック製素管により解決することを見出し
本発明に到達した。すなわち本発明の第１の目的は、軽
量で慣性モーメントが小さく高剛性な繊維強化プラスチ
ック製素管を提供することであり、本発明の第２の目的
は、金属と同等の表面特性を有する繊維強化プラスチッ
ク製ロールを提供することであり、そして本発明の第３
の目的は、安価に製造しうる繊維強化プラスチック製ロ
ールを提供することであり、又、本発明の他の目的は、
以下の記述により当業者に明らかであろう。

【０００７】そしてかかる本発明の目的は、円筒軸方向
の見掛け弾性率が１８０００ｋｇ／ｍｍ² 以上の、繊維
強化プラスチック製の素管に、該素管より内径の小さい
金属筒を圧入し、密着一体化した金属被覆繊維強化プラ
スチック製ロール、より好ましくは、該素管が、円筒断
面の真円度０．０５ｍｍ以内に加工されたものであり、
かつ該金属筒が該素管より０．０２ｍｍ以下の範囲で内
径が小さいものである請求項１記載の金属被覆繊維強化
プラスチック製ロールにより容易に達成される。

【０００８】以下本発明をより詳細に説明する。本発明
に用いられる繊維強化プラスチック製の素管は、その円
筒軸方向の見掛け弾性率が１８０００ｋｇ／ｍｍ² 以上
であることを必須要件とする。１８０００ｋｇ／ｍｍ²
未満であると、素管の剛性が不十分になりやすく、剛性
を上げるために円筒の厚みを増やす等、軽量化、低慣性
モーメント化に不利な方向になるので好ましくない。そ
して特に好ましくは円筒軸方向の見掛け弾性率が２１０
００ｋｇ／ｍｍ² 以上であることである。この場合、真
円度、真直度、円筒度等について、十分な精度に加工す
ることができ、しかも一般に市販されている金属用の研
削機械を用いて、繊維強化プラスチック製素管を研削す
ることができ好ましい。

【０００９】かかる繊維強化プラスチック製の素管の強
化繊維としては、有機、無機の各種繊維を用いることが
できるが、このうち炭素繊維が好ましく、更に好ましく
は廉価で高弾性率の繊維を得られるピッチ系炭素繊維で
ある。特に弾性率４５トン／ｍｍ² 以上のピッチ系炭素
繊維は容易に円筒軸方向の見掛け弾性率が１８０００ｋ
ｇ／ｍｍ² 以上の素管をえることができ、好ましい。

【００１０】又マトリクスとなるプラスチックは、公知
の種々の樹脂が使用できるが、炭素繊維とマトリクスの
接着性のよいものが好ましく、具体的にはエポキシ樹
脂、フェノール樹脂等の熱硬化性樹脂、ＰＥＥＫ（ポリ
エーテルエーテルケトン）、ポリアミド、ポリカーボネ
イト等の熱可塑性樹脂である。強化繊維の含有量は使用
する繊維の種類により異なるため特に限定されないが、
強化繊維が炭素繊維で有る場合には硬化後の繊維強化プ
ラスチック中に、４５〜６５体積％の範囲が好ましい。
この範囲より少ないと所望の円筒軸方向の見掛け弾性率
を得るために、高価な超高弾性の炭素繊維を使用せざる
を得ず不利であり、また逆に多すぎると分散不良等によ
り、添加した繊維強度が十分に利用できなくなりやす
い。

【００１１】そして該繊維強化プラスチック製の素管
は、金属筒を均一に圧入、密着一体化するために、研削
されるが、研削後の繊維強化プラスチック製素管の円筒
径方向の真円度及び円筒度の誤差を０．０２ｍｍ以下の
高精度にすることが好ましく、特に好ましくは０．０１
ｍｍ以内である。真円度及び円筒度の誤差が０．０５ｍ
ｍ以上になると、圧入する金属筒の材質によっては圧入
が困難になりやすく、また得られる金属被覆繊維強化プ
ラスチック製ロールの精度が低いものになりやすい。真
円度の測定方法は特に限定されないが、実用的には同一
円周上のロールの直径をｘｙ方向について計って比べる
直径法が用いられる。直径法に関しては、「機械工学便
覧」１９８９年９月３０日新版第３刷Ｂ２−２０３ペー
ジに詳しく記載されている。そして真直度については、
径によっても異なるため限定はされないが、誤差を１ｍ
当り０．１ｍｍ以下にすることが好ましい。真直度がこ
の値を超えると、やはり圧入が困難になりやすく、また
得られる金属被覆繊維強化プラスチック製ロールの精度
が低いものになりやすい。

【００１２】研削の方法は特に限定されないが、一般に
市販されている金属用の研削機械で行うのが、安価で好
ましい。本発明においては研削される繊維強化プラスチ
ック製の素管の円筒軸方向の見掛け弾性率が１８０００
ｋｇ／ｍｍ² 以上という従来に無い高弾性のものを使用
しているため、研削速度を通常の金属、具体的にはスチ
ールと同等にすることができる。

【００１３】こうして得た高精度の繊維強化プラスチッ
ク製の素管の上に、本発明においては金属筒を圧入し、
密着一体化させ、金属被覆繊維強化プラスチック製ロー
ルを得る。このとき用いる金属筒の材質は特に限定され
ず、圧入し、密着一体化ができればよいが、展延性の点
や後処理にメッキを行う場合等を考慮すると、銅とアル
ミニウムが好ましい。

【００１４】圧入される金属筒は、その内径が該研削後
の繊維強化プラスチック製の素管の外径より小さいこと
が必要である。当然ながらこの条件を満たさなければ圧
入すること自体ができない。圧入する金属筒の真円度、
円筒度、真直度に関しては、圧入される際に金属筒は変
形するので、該研削後の繊維強化プラスチック製の素管
程の高精度は必要ではないが、該金属筒の内径はそのど
の部分で計測しても、該研削後の繊維強化プラスチック
製の素管の外径より小さいことが密着性を高める上で好
ましい。

【００１５】圧入、密着一体化に関しては弾性率が金属
なみであるので、通常行われている公知の条件で行えば
よい。こうして製造された本発明の金属被覆繊維強化プ
ラスチック製ロールは、更に必要に応じて、表面の研削
を行ったり、表面メッキを行ったり、軸芯を取り付けた
りすることにより、所望の特性を得ることができる。

【００１６】以下本発明を実施例を用いて説明するが、
本発明はその要旨を超えない限り、実施例に限定される
ものではない。

【００１７】

【実施例】

（実施例Ｉ）外径φ１００ｍｍ、内径φ９０ｍｍ、面長
１８００ｍｍの金属被覆した炭素繊維強化プラスチック
製ロールを製作するに当り、成形管をフィラメントワイ
ンディング法にて成形した。樹脂はエポキシ樹脂を使用
した。ロールの所要特性にしたがって、炭素繊維を周方
向および軸方向近辺に配向させ、曲げについて寄与の大
きい軸方向については弾性率６５０００ｋｇ／ｍｍ² の
ピッチ系高弾性炭素繊維をほぼ軸方向に配向させ、ロー
ルとしての見掛け弾性率が２３０００ｋｇ／ｍｍ² にな
るように積層設計し、常法により成形・硬化させ成形管
を得た。

【００１８】この成形管の両端を切断除去し、軸芯を取
り付けた上で、一般的なスチールロールの精度、この場
合真円度０．０１ｍｍ、円筒度０．０１ｍｍの精度で外
径φ９８．０５ｍｍの素管に仕上げた。この繊維強化プ
ラスチック製素管に、曲がり等の精度を確認した市販の
内径φ９８．００ｍｍ、厚み３ｍｍのアルミ筒を圧入し
た。アルミ筒は均一に延ばされながら圧入され、局部的
な凹凸は発生しなかった。アルミ被覆した素材管体を研
削するに、アルミ筒が均一に延ばされており、局部的な
凹凸がないので、問題なく目標とする真円度、円筒度
０．０５ｍｍ以内の高精度のアルミ被覆ロール用管体を
得た。このアルミ筒はほぼ均一に最終的には、厚み０．
１ｍｍまで局部的な穴もなく研削する事ができ、アルミ
筒の均一性を確認した。

【００１９】（実施例II）実施例Ｉと同じ外形寸法のロ
ールを、フィラメントワインディング法で繊維束に含有
される樹脂量を多くして、ロールとしての見掛け弾性率
を１８０００ｋｇ／ｍｍ² とした成形管を製作した。実
施例Ｉと同一条件で成形管を研削したところ、真円度
０．０２ｍｍ、円筒度０．０２ｍｍの素管に仕上がっ
た。目標の精度０．０１ｍｍに研削することは出来なか
ったが、金属筒の圧入に必要な寸法精度は満足してお
り、この素管に実施例Ｉと同じアルミ筒を圧入した。ア
ルミ筒に局部的な凹凸が発生することなく、圧入する事
が出来た。

【００２０】（実施例III ）メッキを施すため、さらに
２本の実施例Ｉと同じ素管を用意した。１本にはアルミ
筒、もう１本には銅筒を被覆し、ロール用素材管体とし
た。アルミ被覆された素材管体は金属筒部を所定の厚み
０．５ｍｍに、銅被覆した素材管体は所定の厚み０．３
ｍｍに研削した研削管体にメッキを施した。

【００２１】アルミニウムに直接硬質クロムメッキを施
す場合、メッキ液によりアルミニウム被覆が腐食される
ので、まずニッケル電解メッキを施し、更に研磨した上
で、クロムメッキを施した。アルミ被覆厚み０．５ｍｍ
の厚みにおいてもクロムメッキに必要な電流を流すこと
が出来た。また、剥離強度は全アルミ製のロール管体に
下地としてニッケル電解メッキを施し研削した上でクロ
ムメッキを施した場合とほぼ同じ剥離強度であった。ま
た、銅被覆した研削管体には、直接クロムメッキを施
し、剥離強度を測定した結果十分な剥離強度を有するこ
とが分かった。これらのメッキした管体を円筒研磨し完
成ロールに仕上げた。

【００２２】（比較例Ｉ）実施例と同じ外形寸法のロー
ルを、主に曲げに寄与する、ほぼ軸方向近辺に配向させ
た６５０００ｋｇ／ｍｍ² の弾性率のピッチ系高弾性炭
素繊維の代わりに、３００００ｋｇ／ｍｍ² の弾性率の
ＰＡＮ系炭素繊維を使って、フィラメントワインディン
グ法で成形管を製作した。この繊維強化プラスチック製
管体の見掛け弾性率は、１１０００ｋｇ／ｍｍ² であっ
た。実施例と同じ研削機械を用いて所定の寸法まで研削
しようとした。

【００２３】しかし、ピッチ系高弾性炭素繊維を用いた
成形管の３倍の研削時間を掛けて慎重に研削して、よう
やく所定の精度許容範囲である真円度、円筒度０．０２
ｍｍに達した。実施例Ｉと同じ研削速度で研削した場合
には金属被覆に必要な所定の寸法精度を得ることは出来
なかった。即ち中央部の径が端部に比べて約０．１ｍｍ
大きい素管になった。またさらに厚み３ｍｍのアルミ筒
を被覆したところ、被覆長さが中央部に達する前に圧入
する事が出来なくなり、ついにはアルミ筒が座屈破壊す
るに至った。

【００２４】

【発明の効果】本発明の金属被覆繊維強化プラスチック
製ロールは、高弾性の繊維強化プラスチック製の素管を
使用しているため、該素管自身の寸法精度を容易に高く
でき、かつ金属筒との圧入、密着一体化の際にも素管の
変形が生じにくく、その結果高精度の金属被覆繊維強化
プラスチック製ロールを提供できる。

【００２５】又得られた金属被覆繊維強化プラスチック
製ロールは、金属製のロールと同様の剛性を持ちなが
ら、重さでは約１／２〜１／３程度にでき、慣性モーメ
ントも小さいため、回転させたり止めたりする際のエネ
ルギーが小さくてすみ、高速回転するロールとして特に
有用であり、例えば印刷用機械に用いれば損紙率を大幅
に低下させることができる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B32B 15/00 - 15/20

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 円筒軸方向の見掛け弾性率が１８０００
   ｋｇ／ｍｍ² 以上の、繊維強化プラスチック製の素管
   に、該素管より内径の小さい金属筒を圧入し、密着一体
   化した金属被覆繊維強化プラスチック製ロール。
2. 【請求項２】 該素管が、円筒断面の真円度０．０５ｍ
   ｍ以内に加工されたものであり、かつ該金属筒が該素管
   より０．０２ｍｍ以下の範囲で内径が小さいものである
   請求項１記載の金属被覆繊維強化プラスチック製ロー
   ル。