JP3854761B2 - ドラム及びその製造方法並びにドラム端壁部材の形成方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、円筒部材の端部開口に端壁部材を取着してなり、印刷の分野や、フィルム、紙、布等の可撓性薄物の製造・加工の分野や、その他の各種分野で使用されるドラム（ローラと称されるものを含む）及びその製造方法並びにドラム端壁部材の形成方法に関し、特に印刷用シート担持ドラムに適するものである。
【０００２】
【従来の技術】
印刷分野において、印刷原版作成用の感材フィルムや校正出力用のインターミディエートシート及びドナーシートは、ドラムに巻き付けられて担持され、記録ヘッドから発せられるレーザー光等に露光されることにより、画像が記録される。このドラムは、回転性を良くするために軽量に形成する必要がある。
【０００３】
そこで、従来のドラム５０は、図６に示すように、アルミニウム合金製の円筒部材５１の両端開口に、同じくアルミニウム合金製の端壁部材５２が取着されて構成されていた。端壁部材５２は円壁部５３とその外周のリム部５４とを一体的に含み、リム部５４が円筒部材５１の内周に嵌入される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、アルミニウム合金製の円筒部材５１及び端壁部材５２は比強度が低いため、必要強度を確保するためにどうしても重くなり、ドラム５０の重量増大につながるという問題があった。ドラム５０の重量が大きいと、その回転駆動源の必要能力が高くなるため、コストアップとなる。
【０００５】
そこで、本発明者は、熱膨張率が極めて低く比強度が高いカーボン繊維強化樹脂（以下、ＣＦＲＰという）に着目し、検討当初、ＣＦＲＰよりなる円筒部材５１をフィラメント・ワインディング法により形成し、該円筒部材５１に従来のアルミニウム合金製の端壁部材５２を取着した。しかし、温度上昇時に、ＣＦＲＰよりなる円筒部材５１は実質的に拡径しないのに対し、アルミニウム合金製の端壁部材５２は明らかに拡径するため、図６に示すように、端壁部材５２が円筒部材５１の両端部を押し拡げ、ドラム５０が鼓形に歪み変形した。
【０００６】
そこで、本発明者は、さらに端壁部材５２をもＣＦＲＰで形成することを検討し、端壁部材５２が円壁部５３とリム部５４とを含むことからくる形成の困難さを克服してその形成方法を確立し得たため、本件発明の完成に至った。
【０００７】
本発明の目的は、ドラムの温度上昇時の寸法精度低下及び歪み変形を抑制するとともに、強度を確保しつつ軽量化を図ることにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
（１）本発明に係るドラムは、ＣＦＲＰを主要材料とする円筒部材の少なくとも端部開口（好ましくは両端部開口）に、ＣＦＲＰを主要材料とする端壁部材を取着して構成されることを前提要件とする。
【０００９】
ここで、「ＣＦＲＰを主要材料とする」とは、ＣＦＲＰのみを材料とする場合のみならず、ＣＦＲＰを主とし他の材料を副として加える場合や、カーボン繊維を主とし他の繊維を副として加えたハイブリッドＣＦＲＰを材料とする場合も含む意味である。ＣＦＲＰに使用される樹脂は、特定の種類に限定されず、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂、フェノール樹脂、ジアリルフタレート樹脂、メラミン樹脂等の熱硬化性樹脂を例示することができる。円筒部材における樹脂と、端壁部材における樹脂とは、共に同種の熱硬化性樹脂であること（例えば共にエポキシ樹脂）が好ましい。
【００１０】
円筒部材は、その製造方法において限定されるものではないが、フィラメント・ワインディング（ＦＷ）法、シート・モールディング・コンパウンド（ＳＭＣ）法又はバルク・モールディング・コンパウンド（ＢＭＣ）法により形成されたものが好ましい。
「ＦＷ法」とは、コアの外周に樹脂を付着させたカーボン繊維を巻き付け、これを硬化槽に入れて樹脂を加熱硬化させた後、コアを引き抜く方法である。
「ＳＭＣ法」とは、樹脂にシート状カーボン繊維（さらに必要に応じて充填材等）を加えたコンパウンドからなる連続状シートを型にセットし、該型で加圧加熱して成形及び硬化させる方法である。円筒部材の場合、連続状シートを円筒状に巻いて型にセットする。
「ＢＭＣ法」とは、樹脂に短いカーボン繊維（さらに必要に応じて充填材等）を加えたコンパウンドを型にセット又は注入し、該型で加圧加熱して成形及び硬化させる方法である。
【００１１】
端壁部材は、カーボン繊維が薄くまとめられ樹脂が付着された多数のチップ状プリプレグを加圧加熱して形成されたものが好ましい。「チップ状プリプレグ」の態様としては、カーボン繊維が同一方向に並列に揃えられて薄くまとめられ樹脂が付着されたものや、カーボン繊維がランダムな方向のまま薄くまとめられ樹脂が付着されたものを例示することができる。
【００１２】
また、チップ状プリプレグは、カーボン繊維が薄くまとめられ樹脂が付着された複数枚ないし多数枚のシート状プリプレグを厚さ方向に積層してなる板状プリプレグを重ねて加圧加熱されていることが好ましい。「板状プリプレグ」の態様としては、カーボン繊維が同一方向に並列に揃えられて薄くまとめられ樹脂が付着された複数枚ないし多数枚のシート状プリプレグをカーボン繊維方向を変えて厚さ方向に積層してなるものや、カーボン繊維がランダムな方向のまま薄くまとめられ樹脂が付着された複数枚ないし多数枚のシート状プリプレグを厚さ方向に積層してなるものを例示することができる。
【００１３】
端壁部材は、円筒部材の内周に嵌入するリム部を含むことができる。リム部では、チップ状プリプレグは、カーボン繊維が薄くまとめられ樹脂が付着された複数枚ないし多数枚のシート状プリプレグを内外周方向に積層してなる短筒状プリプレグを重ねて加圧加熱されていることが好ましい。「短筒状プリプレグ」の態様としては、カーボン繊維が同一方向に並列に揃えられて薄くまとめられ樹脂が付着された複数枚ないし多数枚のシート状プリプレグをカーボン繊維方向を変えて内外周方向に積層してなるものや、カーボン繊維がランダムな方向のまま薄くまとめられ樹脂が付着された複数枚ないし多数枚のシート状プリプレグを厚さ方向に積層してなるものを例示することができる。また、この短筒状プリプレグは、カーボン繊維が製織され樹脂が付着されたクロス状プリプレグで包まれていることが好ましい。
【００１４】
（２）次に、本発明に係るドラムの製造方法は、ＦＷ法、ＳＭＣ法又はＢＭＣ法によりＣＦＲＰを主要材料とする円筒部材を形成し、多数のチップ状プリプレグに前記板状プリプレグを重ねて加圧加熱する方法によりＣＦＲＰを主要材料とする端壁部材を形成し、円筒部材の端部開口（好ましくは両端部開口）に端壁部材を取着することを特徴とする。ここで、材料及び形成方法については、上記（１）項において説明した通りである。
【００１５】
上記（１）項のドラムに係る発明及び（２）項のドラムの製造方法に係る発明は、それぞれ次の表１に挙げる円筒部材の製造方法と端壁部材の製造方法との好ましい組み合わせ１〜３を全て含んでいる。
【００１６】
【表１】
┏━┯━━━━━━━━━┯━━━━━━━━━━━━━┓
┃ │円筒部材の製造方法│端壁部材の製造方法 ┃
┠─┼─────────┼─────────────┨
┃１│ＦＷ │チップ状プリプレグ加圧加熱┃
┠─┼─────────┼─────────────┨
┃２│ＳＭＣ │チップ状プリプレグ加圧加熱┃
┠─┼─────────┼─────────────┨
┃３│ＢＭＣ │チップ状プリプレグ加圧加熱┃
┗━┷━━━━━━━━━┷━━━━━━━━━━━━━┛
【００１７】
（３）次に、本発明に係るドラム端壁部材の形成方法は、多数のチップ状プリプレグを（型に入れて）加圧加熱することにより、ＣＦＲＰを主要材料とし円壁部とその外周のリム部とを含む端壁部材を形成することを前提要件とする。チップ状プリプレグについては、上記（１）項において説明した通りである。
【００１８】
円壁部では、チップ状プリプレグに、複数枚ないし多数枚のシート状プリプレグを厚さ方向に積層してなる板状プリプレグを重ねて加圧加熱することが好ましい。板状プリプレグについては、上記（１）項で説明した通りである。
【００１９】
リム部では、チップ状プリプレグに、複数枚ないし多数枚のシート状プリプレグを内外周方向に積層してなる短筒状プリプレグを重ねて加圧加熱することが好ましい。短筒状プリプレグについては、上記（１）項で説明した通りである。
【００２０】
なお、ドラムの用途は、特に限定されず、印刷、フィルム成形、紙成形、紡績等の各種分野で使用されるドラム（ローラと称されるものを含む）を例示することができる。特に、印刷原版作成用の感材シート又は校正出力用のインターミディエートシート若しくはドナーシートを巻き付けて担持するための印刷用シート担持ドラムに最適である。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を前述の印刷用シート担持ドラムに具体化した実施形態例について、図面を参照して説明する。
【００２２】
このドラム１は、図１及び図２に示すように、ＣＦＲＰよりなる円筒部材２の両端部開口に、同じくＣＦＲＰよりなる端壁部材１０が取着されて構成されている。
【００２３】
円筒部材２の寸法は特に限定されないが、長さ３００〜２０００ｍｍ（例えば８４０ｍｍ）、外径２５０〜８００ｍｍ（例えば３８０ｍｍ）、厚さ３〜１５ｍｍ（例えば１０ｍｍ）が一般的である。円筒部材２は、例えばＦＷ法、ここでは心棒の外周にエポキシ樹脂を付着させたカーボン繊維を円筒状に巻き付け、これを硬化槽に入れてエポキシ樹脂を加熱硬化させた後、心棒を引き抜く方法により形成されている。また、円筒部材２はこのカーボン繊維の巻き付け方を変えることにより複数層ないし多数層構造になっており、例えば図３（ａ）に示すように、カーボン繊維を円筒部材の胴回り方向に巻き付けたフープ巻き層３と、カーボン繊維を円筒部材の長さ方向に斜状に巻き付けたヘリカル巻き層４とを含み、また、最内部にテープ巻き層（図示略）を含むこともある。
【００２４】
端壁部材１０は、図２及び図３（ｂ）に示すように、円筒部材２の端縁より内部へ入り込む円壁部１１と、該円壁部１１の外周から円筒部材２の端縁へ向かって曲がるリム部１２とを一体的に含む。リム部１２は円筒部材２の内周に嵌入され、ネジ１４で円筒部材２に固定されている。端壁部材１０の厚さは、各部で異なり、８〜２５ｍｍである。円壁部１１の中心部は円筒部材２の端縁へ向かって段状に張り出す凸部１１ａとなっており、該凸部１１ａの中心には軸部材２０が取り付けられている。軸部材２０は回転軸２１とその基部の基盤２２とからなり、該基盤２２が凸部１１ａの中心に貫設された取付穴１３に入り込むとともに、該基盤２２のフランジ部２２ａが凸部１１ａに対しネジ２３で固定されている。
【００２５】
端壁部材１０は、次のプリプレグ１５，１６，１７を、後述する通り部位に応じて重ねて加圧加熱してなるものである。
【００２６】
▲１▼ 図４（ａ）に示すように、カーボン繊維が並列に揃えられて薄くまとめられエポキシ樹脂が付着された多数のチップ状プリプレグ１５。チップサイズは、特に限定されないが、５ｍｍ×５ｍｍ〜５０ｍｍ×５０ｍｍが好ましく、１０ｍｍ×１０ｍｍ〜３０ｍｍ×３０ｍｍ（例えば約１５ｍｍ×約１５ｍｍ）がさらに好ましい。
【００２７】
▲２▼ 図４（ｂ）に示すように、カーボン繊維が並列に揃えられて薄くまとめられエポキシ樹脂が付着された複数枚ないし多数枚のシート状プリプレグ１６ａを、カーボン繊維方向を変えて厚さ方向に積層してなるドーナツ板状プリプレグ１６。シート状プリプレグ１６ａの積層枚数は、特に限定されないが、４〜４０枚が好ましく、１２〜３６枚（例えば２４枚）がさらに好ましい。シート状プリプレグ１６ａを積層するときのカーボン繊維方向の変え方は、特に限定されないが、基準のシート状プリプレグ１６ａのカーボン繊維方向を０°としたときに、カーボン繊維方向が９０°、４５°、−４５°の各シート状プリプレグ１６ａを含むように積層することが好ましく、積層の順序は特に限定されない。
【００２８】
▲３▼ 図４（ｃ）に示すように、カーボン繊維が並列に揃えられて薄くまとめられエポキシ樹脂が付着された複数枚ないし多数枚のシート状プリプレグ１７ａを、カーボン繊維方向を変えて内外周方向に積層してなる短筒状プリプレグ１７。シート状プリプレグ１７ａの積層枚数は、特に限定されないが、４〜４０枚が好ましく、１２〜３６枚（例えば２１枚）がさらに好ましい。シート状プリプレグ１７ａを積層するときのカーボン繊維方向の変え方は、特に限定されないが、カーボン繊維方向がリング周方向のシート状プリプレグ１７ａと、カーボン繊維方向がリング高方向のシート状プリプレグ１７ａと含むように積層することが好ましく、積層の順序は特に限定されない。短筒状プリプレグ１７は、カーボン繊維が製織されエポキシ樹脂が付着されたクロス状プリプレグ１８で断面逆Ｕ字状に包まれている。
【００２９】
端壁部材１０は、図５に示すようなプレス装置（図示略）にセットされた下型３０と上型４０とを使用して、次のような方法（１）〜（３）で製造されている。下型３０は、円壁部１１の内面側を形成する成形面３１と、リム部１２の外周面側を成形する成形面３２とを有する凹状の雌型となっている。上型４０は、円壁部１１の外面側を形成する成形面４１と、リム部１２の内周面側を成形する成形面４２とを有する凸状の雄型となっている。また、下型３０と上型４０は加熱装置（図示略）を内蔵しており、所定の温度に加熱される。
【００３０】
（１）図５（ａ）に示すように、下型３０の成形面３１，３２の底部にチップ状プリプレグ１５を例えば約１０００ｇ入れ、その上にドーナツ板状プリプレグ１６を載せて重ね、さらにその上にチップ状プリプレグ１５を例えば約１８００ｇ載せて重ねる。また、上型４０の成形面４２に、クロス状プリプレグ１８で包まれた短筒状プリプレグ１７を外挿し、落下しない程度に摩擦で保持する。
【００３１】
（２）図５（ｂ）に示すように、プレス装置により例えば上型４０を下型３０に下降させ、円壁部１１ではチップ状プリプレグ１５とドーナツ板状プリプレグ１６とを重ねて加圧加熱して該円壁部１１を形成し、リム部１２ではチップ状プリプレグ１５と短筒状プリプレグ１７とを重ねて加圧加熱して該リム部１２を形成する。各プリプレグ１５，１６，１７に付着されたエポキシ樹脂は加熱により硬化すると共に結合してカーボン繊維を固定し、もってＣＦＲＰよりなる端壁部材１０が形成される。短筒状プリプレグ１７はクロス状プリプレグ１８で包まれているので、このプレス時に形が崩れにくく、均一かつ綺麗に加圧される。
【００３２】
（３）端壁部材１０を脱型した後、凸部１１ａに取付穴１３を開け、軸部材２０をネジ２３で固定する。短筒状プリプレグ１７はクロス状プリプレグ１８で包まれているので、リム部１２の見栄えが良い。
【００３３】
本実施形態によれば、次の効果（ア）〜（オ）が得られる。
（ア）ドラム１は、ＣＦＲＰよりなる円筒部材２の両端部開口に、ＣＦＲＰよりなる端壁部材１０が取着されて構成されており、両部材２，１０共に熱膨張率が極めて低い。このため、ドラム１の温度上昇時に、円筒部材２も端壁部材１０も実質的に拡径せず、ドラム１の寸法精度を高く保つことができるとともに歪み変形を極めて少ないレベルに抑制することができ、もって感材シート等に記録される画像の精度を向上させることができる。
【００３４】
（イ）また、ＣＦＲＰよりなる円筒部材２及び端壁部材１０は比強度が高いため、強度を確保しつつドラム１の軽量化を図ることもできる。ドラム１が軽量化すると、その回転駆動源の必要能力が低くなってコストダウンを図ることができる。
【００３５】
（ウ）多数のチップ状プリプレグ１５を加圧加熱して端壁部材１０を形成するので、該端壁部材１０が凸部１１ａやリム部１２を有する複雑な形状であるにも拘わらず、ＣＦＲＰよりなる端壁部材１０を容易に形成することができる。
【００３６】
（エ）特に円壁部１１では、チップ状プリプレグ１５にドーナツ板状プリプレグ１６を重ねて加圧加熱してあるので、強度が高まるとともに、温度上昇時の膨張をさらに抑えることができる。チップ状プリプレグ１５だけを加圧加熱した場合でも、円壁部１１は強度が高くほとんど膨張しないが、ドーナツ板状プリプレグ１６を重ねた方が優れる。
【００３７】
（オ）特にリム部１２では、チップ状プリプレグ１５に短筒状プリプレ１７を重ねて加圧加熱してあるので、強度が高まるとともに、温度上昇時の膨張をさらに抑えることができる。チップ状プリプレグ１５だけを加圧加熱した場合でも、リム部１２は強度が高くほとんど膨張しないが、短筒状プリプレグ１７を重ねた方が優れる。
【００３８】
なお、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のように、発明の趣旨から逸脱しない範囲で適宜変更して具体化することもできる。
（１）円筒部材２の構成・製法を変更すること。
（２）端壁部材１０をより単純な又は複雑な構成・形状にすること。
（３）必要に応じ、多少の追加工によりドラム１内を加圧及び減圧できるように構成すること。
【００３９】
【発明の効果】
以上詳述した通り、本発明によれば、ドラムの温度上昇時の歪み変形を抑制することができるとともに、強度を確保しつつ軽量化を図ることができるという優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係るドラムの斜視図である。
【図２】同ドラムの断面図である。
【図３】（ａ）は同ドラムの円筒部材の斜視図、（ｂ）は同ドラムの端壁部の斜視図である。
【図４】同端壁部を形成するための素材を示し、（ａ）はチップ状プリプレグの斜視図、（ｂ）は板状プリプレグを一部破断して示す斜視図、（ｃ）は短筒状プリプレグを一部破断して示す斜視図である。
【図５】同端壁部の成形方法を示し、（ａ）はプレス成形前の断面図、（ｂ）はプレス成形後の断面図である。
【図６】従来例に係るドラムの問題点を指摘する断面図である。
【符号の説明】
１ ドラム
２ 円筒部材
１０ 端壁部材
１１ リム部
１１ 円壁部
１１ａ 凸部
１２ リム部
１３ 取付穴
１５ チップ状プリプレグ
１６ ドーナツ板状プリプレグ
１６ａ シート状プリプレグ
１７ 短筒状プリプレグ
１７ａ シート状プリプレグ
１８ クロス状プリプレグ
３０ 下型
３１ 成形面
３２ 成形面
４０ 上型
４１ 成形面
４２ 成形面

Claims (5)

1. カーボン繊維強化樹脂を主要材料とする円筒部材の端部開口に、カーボン繊維強化樹脂を主要材料とする端壁部材を取着して構成されたドラムであって、
   前記端壁部材は、多数のチップ状プリプレグに、複数枚ないし多数枚のシート状プリプレグを厚さ方向に積層してなる板状プリプレグを重ねて加圧加熱して形成されたものであるドラム。
2. 前記端壁部材は、前記円筒部材の内周に嵌入するリム部を含み、
   前記リム部では、前記チップ状プリプレグは、複数枚ないし多数枚のシート状プリプレグを内外周方向に積層してなる短筒状プリプレグを重ねて加圧加熱されている請求項１記載のドラム。
3. 前記短筒状プリプレグは、クロス状プリプレグで包まれている請求項２記載のドラム。
4. 多数のチップ状プリプレグを加圧加熱することにより、カーボン繊維強化樹脂を主要材料とし円壁部とその外周のリム部とを含む端壁部材を形成するドラム端壁部材の形成方法であって、
   前記円壁部では、前記チップ状プリプレグに、複数枚ないし多数枚のシート状プリプレグを厚さ方向に積層してなる板状プリプレグを重ねて加圧加熱するドラム端壁部材の形成方法。
5. 多数のチップ状プリプレグを加圧加熱することにより、カーボン繊維強化樹脂を主要材料とし円壁部とその外周のリム部とを含む端壁部材を形成するドラム端壁部材の形成方法であって、
   前記リム部では、前記チップ状プリプレグに、複数枚ないし多数枚のシート状プリプレグを内外周方向に積層してなる短筒状プリプレグを重ねて加圧加熱するドラム端壁部材の形成方法。

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