JP4407309B2 - 条体幅測定方法および装置およびそれを用いた炭素繊維製造装置 - Google Patents

Description

本発明は、横行する繊維糸条等の条体の幅を測定する方法および装置に関し、とくに炭素繊維糸条の幅測定に好適な条体幅測定方法および装置およびそれを用いた炭素繊維製造装置に関する。

横行するテープ等の条体の幅を測定する装置として、画像解析やセンサ等で条体の幅を直接測定するようにした装置は各種知られている（例えば、特許文献１）。これらはいずれも、走行中に横行する条体の幅を、レーザー測幅器等で直接測定する方式を採用しており、横行動作や横行時間そのものは幅測定には利用されていない。

繊維糸条、とくに炭素繊維糸条の糸幅は重要な品質管理項目であるが、現状は抜き出し検査方式により巻き製品表面の糸幅を目視によって計測しており、このような方式では、製品全錘、全長にわたって糸幅管理を行うことは難しい。巻き始めから巻き終わりまでの全長にわたって糸幅を測定するのが望ましいのであるが、現状は、製品巻き上がり後の検査となるため、異常が生じた場合その発見が遅くなり、その対応の遅れが多量の糸幅不良品の発生の原因となる。また、製品巻き上がり後の検査では、巻製品表層部分の異常しか検出できないため、内層の不良部分は発見できない場合もある。

また、炭素繊維は黒色であるので、巻き製品にて糸幅を計測するにしても、黒糸の上に黒糸が巻かれているので、通常、糸幅計測の対象となる糸を判別しにくいという問題もある。上述したような画像解析や糸幅センサ等により糸幅管理システムを構築することも可能ではあるが、これらは高価であり、全錘への設置は現実的には困難であり、また、測定装置が大がかりとなるため、既設の装置への設置は難しい場合が多い。また、炭素繊維の製造では浮遊毛羽の発生があるため、精密なセンサ類にとって作動環境が厳しく、この面からも設置が困難である。
特開平８−３２７３３０号公報

そこで本発明の課題は、装置自体は簡素な構成であり、安価かつ小型であるため、容易に全錘にわたって設置することも可能になり、かつ、簡素な構成で信頼性が高く、厳しい作動環境でも確実に稼働でき、しかも、オンラインで製品全長にわたって測定が可能で、早期の異常発見および対応が可能となる、炭素繊維等の製造における糸幅測定に用いて好適な、条体幅測定方法および装置およびそれを用いた炭素繊維製造装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明に係る条体幅測定方法は、条体をトラバースさせてボビンに巻き取る構造のワインダーにおいて、幅方向に規則的に往復する条体の幅方向往復時間Ｔｔを計測し、既知の条体往復距離Ｌｔをもとに次式（３）により条体横行速度Ｖｓを算出し、同時に該条体がある測定点を横切り始めてから横切り終わるまでの時間Ｔｃを計測し、条体の幅方向往復時間Ｔｔより、既知の条体往復距離Ｌｔ、条体巻き速度Ｖｗをもとに次式（４）により条体傾きθを算出し、これをもとに次式（２）により補正計算を行い条体幅Ｗを算出することを特徴とする方法からなる。
Ｖｓ＝Ｌｔ／Ｔｔ （３）
θ＝ｓｉｎ ^-1 ｛Ｌｔ／（Ｖｗ×Ｔｔ）｝ （４）
Ｗ＝Ｖｓ×Ｔｃ×ｃｏｓθ （２）
なお、本発明においては、帯状あるいは線状の形態を有するものを条体と呼び、代表的には繊維糸条を指すが、本発明に係る技術思想は、繊維糸条に限らず、テープ類やワイヤ類にも適用できる。

このような本発明に係る条体幅測定方法は、とくに炭素繊維糸条の糸幅を測定する炭素繊維糸条の糸幅測定方法として好適なものである。

本発明に係る条体幅測定装置は、上記のような条体幅測定方法を用いた装置からなる。とくに、炭素繊維に対しては、上記のような条体幅測定方法を用いた炭素繊維製造装置として構成できる。

上記のような条体幅測定方法を用いた条体幅測定装置のより具体的な態様としては、たとえば、光源、投光ファイバ、集光レンズ、受光ファイバ、受光素子を有し、光源より発した光が条体表面で反射するのを受光素子でとらえることによって条体を感知するように各機器を配置したものに構成できる。

あるいは、光源、投光ファイバ、集光レンズ、受光ファイバ、受光素子を有し、光源より発した光が条体により遮られるのを受光素子でとらえることによって条体を感知するように各機器を配置したものに構成できる。

あるいは、受光素子を有し、自然光が条体により遮られることによる明暗変化を受光素子でとらえることによって条体を感知するように受光素子を配置したものにも構成できる。

このような具体的な構成を有する条体幅測定装置を用いて、糸条幅を望ましい条件で測定可能な炭素繊維製造装置を構成することが可能になる。

本発明によれば、条体幅自体を画像解析やセンサ類で検出するのではなく、条体の横行動作を利用し、それを検出して、そこから演算により条体幅を求めるようにしたので、装置としては安価かつ小型に構成でき、全錘にわたって設置することも可能となる。また、簡素で信頼性の高い装置構成であるので、厳しい作動環境でも確実に稼働することができる。また、オンラインで製品全長にわたって測定することも可能となり、早期の異常発見やそれへの対応を可能として、製品品質の向上や不良品発生による生産ロスの低減が可能となる。さらに、従来判別の難しかった炭素繊維等の黒色の条体に対しても問題なく適用でき、望ましい優れた測定性能を発揮することができる。

以下に、本発明について、望ましい実施の形態とともに、より具体的に説明する。
図１は、本発明の一実施態様に係る条体幅測定方法を実施するための装置の概略構成を示しており、後述する各測定方式のうちの反射方式を例にとって示している。図１において、たとえば無撚糸からなる条体１１は、その長手方向に走行されつつ、たとえばトラバース動作による往復動により横行されている。この条体１１の横行経路に対向させて、横行する条体１１の方向に光を照射する投光手段１２と、条体１１からの反射光を受光する受光手段１３が設けられている。投光手段１２および受光手段１３としては、たとえば光電センサを用いることができる。たとえば、市販されているキーエンス社の光電センサ（型式：ＦＳ−Ｖ１１＋ＦＵ−２０）では、測定スポットとして０．１ｍｍ径での測定が可能である。

このような投光手段１２と受光手段１３を用いることにより、幅方向に横行する条体１１がある測定点を横切り始めてから横切り終わるまでの時間Ｔｃを計測することができる。図１に示したトラバース動作を行う条体１１に対しては、たとえば図２に受光強度の変化特性として示すような検出を行うことができる。図２において、Ｔｃは、測定点を横切り始めてから横切り終わるまでの時間を示しており、Ｔｔが条体１１の幅方向往復時間、つまりトラバース周期を示している。条体１１が傾きなしに（たとえば、綾角なしに）横行されている場合には、既知の条体横行速度Ｖｓをもとに次式（１）により条体幅Ｗを算出することができる。
Ｗ＝Ｖｓ×Ｔｃ （１）

条体１１が傾きθをもって（たとえば、綾角θをもって）横行されている場合には、図３に示すように、上記の条体１１がある測定点を横切り始めてから横切り終わるまでの時間Ｔｃは、実際の条体１１の幅Ｗに対し、条体１１がＷ÷ｃｏｓθの距離を横行する時間を測定することになるから、Ｗ÷ｃｏｓθ＝Ｖｓ×Ｔｃとなり、条体幅Ｗは、次式（２）による補正計算により算出することができる。
Ｗ＝Ｖｓ×Ｔｃ×ｃｏｓθ （２）

また、上記において、条体横行速度Ｖｓが既知でない場合には、次のように条体横行速度Ｖｓを求めてから条体幅Ｗを算出することができる。すなわち、幅方向に規則的に往復する条体の幅方向往復時間Ｔｔ（つまり、トラバース周期）を計測し、既知の条体往復距離Ｌｔをもとに次式（３）により条体横行速度Ｖｓを算出し、同時に該条体がある測定点を横切り始めてから横切り終わるまでの時間Ｔｃを計測し、前記式（３）で算出した条体横行速度Ｖｓをもとに条体幅Ｗを次式（１）により算出することができる。
Ｖｓ＝Ｌｔ／Ｔｔ （３）
Ｗ＝Ｖｓ×Ｔｃ （１）

とくに、条体が傾きθをもって（たとえば、綾角θをもって）横行されている場合には、既知の横行時の条体傾きθをもとに次式（２）により補正計算を行い条体幅Ｗを算出することができる。
Ｗ＝Ｖｓ×Ｔｃ×ｃｏｓθ （２）

そして、条体の傾きθが既知でない場合には、下記のようにθを求めてから条体幅Ｗを算出することができる。したがって、条体をトラバースさせてボビンに巻き取る構造のワインダーにおいて、条体の幅方向往復時間Ｔｔ（つまり、トラバース周期）より、既知の条体往復距離Ｌｔ、条体巻き速度Ｖｗをもとに次式（４）により条体傾きθを算出し、これをもとに次式（２）により補正計算を行って前記同様に条体幅Ｗを算出するようにすることができる。
θ＝ｓｉｎ^-1｛Ｌｔ／（Ｖｗ×Ｔｔ）｝ （４）
Ｗ＝Ｖｓ×Ｔｃ×ｃｏｓθ （２）

このような本発明に係る条体幅Ｗの測定では、条体幅Ｗを直接検出するのではなく、条体の横行動作に基づく計算、条体の傾きθがある場合にはその傾きθを用いた補正計算を加味した計算により条体幅Ｗを算出するので、検出機器（つまり、条体がある測定点を横切り始めてから横切り終わるまでの時間Ｔｃを計測するための検出機器）はごく簡単なものでよく、測定装置として簡素で小型であり、安価で、しかも信頼性の高いものに構成できる。したがって、全錘にわたって設置することも可能となる。また、簡素で信頼性の高い装置構成であるので、厳しい作動環境でも確実に稼働することができる。また、オンラインで製品全長にわたって、実質的に連続的に測定することも可能となり、早期の異常発見やそれへの迅速な対応を可能とすることができる。これにより、結果的に、製品品質の向上をはかることが可能になり、不良品発生による生産ロスを低減することが可能になる。さらに、従来判別の難しかった炭素繊維等の黒色の条体に対しても問題なく適用でき、望ましい優れた測定性能を発揮することができる。

以下に、より具体的な装置構成について例示する。
図４は、具体的な装置構成の一例を示しており、図４においては、光源１からの光が投光ファイバ２を介して導光され、集光レンズ３を通して測定対象としての条体６に照射される。条体６からの反射光が、集光レンズ３を通して受光ファイバ４で検出され、受光ファイバ４を導光されて受光素子５で検知される。つまり、反射光検出方式として構成されている。

このように構成された装置では、図５、図６に測定原理を示すように、横行する条体６が未だ測定点に至っていないときには投光ファイバ２を介して照射された光はそのまま通過するが（図５）、条体６が測定点を横切り始めてから横切り終わるまでの間は、図６に示すように、照射された光は条体６によって反射され、その反射光が受光ファイバ４で検出され、この間の時間Ｔｃが計測される。

図７は、具体的な装置構成の別の例を示しており、図７においては、光源１からの光が投光ファイバ２を介して導光され、集光レンズ３を通して測定対象としての条体６に照射される。この照射光が条体６の横行位置をそのまま透過するときには、該照射光が集光レンズ３を通して受光ファイバ４で検出され、受光ファイバ４を導光されて受光素子５で検知される。つまり、透過光検出方式として構成されている。

図８は、具体的な装置構成のさらに別の例を示しており、図８においては、光源１として自然光もしくはそれと同等の光が用いられ、自然光が条体６の横行位置をそのまま透過するときには、該自然光が受光素子５で直接検知されるようになっている。つまり、この方式も、実質的に透過光検出方式として構成されている。

図７、図８に示したような透過光検出方式においては、たとえば図９、図１０に簡略化して測定原理を示すように、横行する条体６が未だ測定点に至っていないときには光源１からの光はそのまま受光ファイバ４（または、受光素子５）へと到達するが（図９）、条体６が測定点を横切り始めてから横切り終わるまでの間は、図１０に示すように、照射された光は条体６によって遮られ、受光ファイバ４（または、受光素子５）へは到達せず、この間の時間Ｔｃが計測される。

このように、反射光検出方式、透過光検出方式のいずれも使用可能である。また、条体の材質によっては、光を用いた検出方式以外の、磁気による検知方式や誘導電流による検知方式等も適用が可能である。

上述したような本発明に係る条体幅測定は、トラバースしながら連続して巻き取る繊維糸条、とくに炭素繊維糸条の幅測定に好適なものである。炭素繊維は黒色であるので、従来のように巻き上がった段階で表層の糸条の幅を測定あるいは観測する場合、地色に対して判別が難しい場合が多く測定が困難であったが、本発明に係る測定では巻き取り前の１本の条体に対して行えばよいので、判別の困難性の問題はなく、確実に条体幅を測定することができる。しかも、横行の都度、測定できるので、巻き始めから巻き終わりまで測定でき、実質的に全長にわたっての条体幅管理が可能になる。

本発明は、横行動作を行うあらゆる条体に対しての幅測定に適用可能であり、繊維糸条、とくに炭素繊維糸条の連続的な幅測定に好適である。

本発明の一実施態様に係る条体幅測定方法を実施するための装置の概略斜視図である。 図１の装置による測定例を示す受光強度特性図である。 図３は測定対象としての条体に傾きがある場合の補正計算方法を示す説明図である。 本発明に係る条体幅測定装置における具体的な装置構成の一例を示す概略構成図である。 図５の装置における測定原理を説明するための、一状態の概略斜視図である。 図５の装置における測定原理を説明するための、別の状態の概略斜視図である。 本発明に係る条体幅測定装置における具体的な装置構成の別の例を示す概略構成図である。 本発明に係る条体幅測定装置における具体的な装置構成のさらに別の例を示す概略構成図である。 図７または図８の装置における測定原理を説明するための、一状態の概略斜視図である。 図７または図８の装置における測定原理を説明するための、別の状態の概略斜視図である。

符号の説明

１ 光源
２ 投光ファイバ
３ 集光レンズ
４ 受光ファイバ
６、１１ 条体
１２ 投光手段
１３ 受光手段

Claims (8)

1. 条体をトラバースさせてボビンに巻き取る構造のワインダーにおいて、幅方向に規則的に往復する条体の幅方向往復時間Ｔｔを計測し、既知の条体往復距離Ｌｔをもとに次式（３）により条体横行速度Ｖｓを算出し、同時に該条体がある測定点を横切り始めてから横切り終わるまでの時間Ｔｃを計測し、条体の幅方向往復時間Ｔｔより、既知の条体往復距離Ｌｔ、条体巻き速度Ｖｗをもとに次式（４）により条体傾きθを算出し、これをもとに次式（２）により補正計算を行い条体幅Ｗを算出することを特徴とする条体幅測定方法。
   Ｖｓ＝Ｌｔ／Ｔｔ （３）
   θ＝ｓｉｎ^-1｛Ｌｔ／（Ｖｗ×Ｔｔ）｝ （４）
   Ｗ＝Ｖｓ×Ｔｃ×ｃｏｓθ （２）
2. 請求項１に記載の方法により炭素繊維糸条の糸幅を測定する、炭素繊維糸条の糸幅測定方法。
3. 請求項１に記載の方法を用いた条体幅測定装置。
4. 請求項１または２に記載の方法を用いた炭素繊維製造装置。
5. 光源、投光ファイバ、集光レンズ、受光ファイバ、受光素子を有し、光源より発した光が条体表面で反射するのを受光素子でとらえることによって条体を感知するように各機器を配置した、請求項１に記載の方法を用いた条体幅測定装置。
6. 光源、投光ファイバ、集光レンズ、受光ファイバ、受光素子を有し、光源より発した光が条体により遮られるのを受光素子でとらえることによって条体を感知するように各機器を配置した、請求項１に記載の方法を用いた条体幅測定装置。
7. 受光素子を有し、自然光が条体により遮られることによる明暗変化を受光素子でとらえることによって条体を感知するように受光素子を配置した、請求項１に記載の方法を用いた条体幅測定装置。
8. 請求項５〜７のいずれかに記載の装置を用いた炭素繊維製造装置。

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